基于手臂机器人控制的远程实验系统

摘要

实验教学是大学教育中非常重要的一个环节,但是传统实验教学存在着实验安排不灵活,仪器维护困难等弊端.虚拟实验室的诞生在很大程度上解决了传统实验教学中存在的问题,但是虚拟实验以软件来模拟实验仪器,难以反映实验的现场特性,与实际的硬件实验仍然存有差距.针对当前实验教学中存在的不足,本论文在探索远程实验教学发展的前提下,提出了一种将硬件实验资源网络化的解决方案,并根据此方案设计了一套面向控制类专业的基于手臂机器人控制的远程实验系统,系统以手臂机器人装置作为实验控制对象,采用基于B/S的设计模式,旨在使学生能够直接通过Internet控制远程实验室的手臂机器人装置,为学生提供一个基于硬件控制适用于控制理论教学和研究的网络化实验平台.本文在提出整个远程实验系统构成的基础上,详细介绍了后台控制子系统的设计和实现.后台控制子系统包括手臂机器人系统以及后台控制服务器.手臂机器人系统是自行开发的拥有一阶自由度的机器人实验模型,它用一个金属条模拟人的手臂在二维平面内转动,属于典型的二阶随动系统,硬件电路以PIC16C74A单片机作为下位机,实现和PC机的并行口通信及对手臂信号的采集和控制,能很好地满足实时控制的要求.后台控制服务器为整个远程实验系统提供后台控制服务,一方面利用直接I/O读取和多媒体定时器实现与单片机的高精度定时通信,另一方面基于TCP协议和Winsock编程接口实现了数据在网络上的传输,控制服务器软件基于Visual C++的开发环境实现,代码效率高,实时性好.系统运行结果表明,用户可以在Internet上以不同的控制算法、不同的控制参数在线控制远程实验室的手臂机器人装置,获取动态实时的响应曲线,同时可以通过网络摄像机看到实验的运动现场,这充分说明了后台控制子系统设计的良好性能和远程实验系统方案的可行性,同时,运行结果也充分说明该系统能有效地实现硬件资源的共享,为国际化的控制理论实验教学提供了一个模型参考.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权说明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2国内外发展现状

1.3研究内容

1.4论文组成

第2章远程实验系统设计

2.1系统结构

2.1.1网络服务器

2.1.2后台控制子系统

2.1.3客户端

2.1.4网络摄像机

2.2系统功能

2.3小结

第3章手臂机器人系统

3.1硬件系统设计

3.1.1手臂结构

3.1.2接口电路设计

3.2数学模型

3.3 小结

第4章后台控制服务器设计

4.1开发环境

4.2系统结构

4.2.1软件模块

4.2.2类结构

4.3控制与采集模块设计

4.3.1 Windows下精确定时器的实现

4.3.2上下位机的通信

4.4服务功能模块设计

4.4.1手臂机器人状态检测

4.4.2与实验管理服务器的通信

4.4.3后台托盘功能的实现

4.5状态显示

4.6小结

第5章系统安装与运行

5.1系统安装

5.1.1软硬件环境

5.1.2网络配置

5.2系统运行

5.2.1人机界面

5.2.2性能测定

第6章结论和展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果