基于MAS的铅芯烧结生产线机器人系统设计与研究

摘要

在科技飞速发展的今天，手工劳动逐渐被取代已成为必然趋势。在机器人研究的早期阶段，主要研究单机器人的结构设计、运动学方程、控制理论、通信等问题。但是对于一些复杂的、需要高效率完成的任务，单机器人表现出难以胜任的现象。针对该情况，机器人的研究逐步从单机器人转换到多机器人系统MAS(Multi-Agent-System)，利用多机器人的协调、避碰，共同完成预期任务。通过多机器人系统的介入，使得单机器人的设计难度下降，利用多个简单机器人的合作实现系统的并行性，使整个系统能够更加高效地完成复杂任务。
　　针对以上问题，本文以某铅笔芯厂铅芯烧结生产线自动化改造为背景，根据烧结线需求设计一套能够满足生产的铅芯烧结线多机器人系统。该多机器人系统的引入完成了生产线铅芯装罐、上炉、下炉、装浸油罐、装车的全部生产过程，使工人从繁重的体力劳动以及恶劣的工作环境中解脱出来，并很大程度上提高了生产效率以及产品质量。
　　文中首先根据系统设计需要分析各种结构机器人的优缺点，按照实际需求选择直角坐标机器人作为多机器人系统的主要组成部分，并结合多种其它类型机器人共同完成整个生产流程。针对各机器人的特点，采用SolidWorks对关键结构进行受力分析，进而验证各机器人机械结构的稳定性。
　　根据本系统各机器人的机械结构，控制系统采用STM32F407作为核心处理器。在输入输出接口方面通过采用光耦隔离、ULN2003增加驱动等方式有效的保护了核心处理器，并使整个系统具有了同时驱动多个被控动力元件的能力。在通信接口方面我们通过采用DP83848、MAX3232、SN65VHD230等芯片与控制器连接，使系统具有丰富且稳定的通信接口（以太网接口、UART接口*2、CAN接口），这些接口有效地保障了系统内部互相协调、处理器与远程及现场监控显示设备通信的可靠、稳定运行。
　　在设计机械结构以及控制系统底层硬件的基础上，通过综合运用改进的合同网法以及人工势场法实现了任务的分配以及机器人运行过程中的避碰。针对传统合同网模型存在通信量大的缺陷，采用了可信度、友好度两个参数，并针对本系统存在多种机器人的特性，提出任务承包者属性参数对传统合同网模型进行改进。结合系统运行过程中机器人避碰受速度和加速度影响的特点，采用速度、加速度两个参数对传统人工势场法进行改进，在机器人相遇时移动障碍机器人以实现各机器人的避碰。经实物实验以及仿真验证说明，系统通信量减少约一倍，且能够高效、稳定地完成整个生产流程，把工人从恶劣的工作环境中解脱出来。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 多机器人系统的主要研究问题

1.4 本文需要实现的内容及技术难点

1.5 论文组织结构

第2章 多机器人系统机械结构分析

2.1 多机器人系统整体功能分析

2.2 装铅机器人功能及结构分析

2.3 主机器人功能及结构分析

2.4 传送机器人1功能及结构分析

2.5 本章小结

第3章 多机器人系统控制系统设计

3.1 多机器人系统整体控制系统设计

3.2 多机器人系统硬件电路系统设计

3.3 多机器人系统软件系统设计

3.4 本章小结

第4章 多机器人系统协调、避碰研究

4.1 多机器人系统整体分析

4.2 多机器人系统协调、协作研究

4.3 多机器人系统避碰研究

4.4 本章小结

第5章 多机器人系统实验及仿真

5.1 机器人系统实物介绍

5.2 铅芯上炉实验及仿真

5.3 铅芯下炉实验及仿真

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢