LabVIEW課程設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂

1、 . LabVIEW課程設(shè)計(jì)33 / 33目 錄摘要3第一章課程設(shè)計(jì)41.1 課程設(shè)計(jì)的題目：41.2課程設(shè)計(jì)要求41.3課題分析41.4設(shè)計(jì)目的51.5國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀6第二章機(jī)器人概述82.1機(jī)器人定義82.2機(jī)器人的構(gòu)成與分類82.3機(jī)器人的坐標(biāo)變換82.4平移變換92.5 旋轉(zhuǎn)變換92.6機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)102.7 機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)方向102.8運(yùn)動(dòng)位置和坐標(biāo)112.9機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)11第三章機(jī)器人手臂程序結(jié)構(gòu)與功能14第四章運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)204.1手臂設(shè)計(jì)圖204.2機(jī)器人手臂預(yù)期的功能要求204.3程序模塊設(shè)計(jì)20第五章機(jī)器人手臂程序215.1機(jī)器人手臂完整圖215.2機(jī)器人手制作的程序

2、215.3機(jī)器人手臂旋轉(zhuǎn)的程序225.4機(jī)器人關(guān)節(jié)顏色調(diào)整的程序225.5機(jī)器人手臂移動(dòng)的程序235.6機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的控制程序235.7機(jī)器人手的合245.8機(jī)器人手臂位置控制245.9機(jī)器人關(guān)節(jié)的跳動(dòng)25第六章機(jī)器人手臂功能介紹256.1顯示模塊256.2 手臂控制模塊261）控制面板266.3 顏色選擇模塊306.4手關(guān)節(jié)控制按鈕32第七章心得體會(huì)33參考文獻(xiàn)與33摘 要虛擬儀器是對(duì)傳統(tǒng)儀器的重大突破，是計(jì)算機(jī)與儀器相結(jié)合的產(chǎn)物，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，代表著儀器發(fā)展的最新方向和潮流。機(jī)器人手臂具有較高的作業(yè)能力，因此對(duì)它的控制成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，具有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

3、機(jī)器人手臂在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。LabVIEW圖形化編程軟件的普與，采用LabVIEW編程對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行控制，在提高教學(xué)資源利用率的同時(shí)也收到了良好的教學(xué)效果。第一章 課程設(shè)計(jì)1.1 課程設(shè)計(jì)的題目：機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)1.2課程設(shè)計(jì)要求手臂應(yīng)滿足下列要求：A. 自由伸縮；B.自由360度旋轉(zhuǎn)；C.有關(guān)節(jié)，具有一定的握力。（1）界面美觀簡潔，程序應(yīng)符合工程化思想。（2）設(shè)計(jì)文檔符合軟件文檔國標(biāo)。1.3課題分析機(jī)器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技

4、術(shù)革命的一個(gè)重要容。自古以來,人們所設(shè)想的機(jī)器人一般是一種在外形和功能上均能模擬人類智能的機(jī)器。特別是在20世紀(jì)20年代前后,捷克和美國的一些科幻作家創(chuàng)作了一批關(guān)于未來機(jī)器人與人類共處中可能發(fā)生的故事之類的文學(xué)作品,更使機(jī)器人在人們的思想中成為一種無所不能的“超人”。在現(xiàn)實(shí)生活中,一些民間工匠根據(jù)這些文學(xué)描繪,也制造出一些仿人或仿生的機(jī)器人。然而在當(dāng)時(shí)的科技條件下,要使機(jī)器人具有某種特殊的“智能”而成為“超人”,顯然是不可能的。美國的戴沃爾設(shè)想了一種可控制的機(jī)械手,他首先突破了對(duì)機(jī)器人的傳統(tǒng)觀點(diǎn),提出機(jī)器人并不一定必須像人,但是必須能做一些人的工作。1954年,他依據(jù)這一想法設(shè)計(jì)制作了世界上第

5、一臺(tái)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置,發(fā)表了適用于重復(fù)作業(yè)的通用性工業(yè)機(jī)器人一文,并獲得了美國專利。1.4設(shè)計(jì)目的由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，許多危險(xiǎn)的工作已漸漸由機(jī)械手臂所取代，尤其是近年來太空科技的發(fā)展日新月累，許多外太空的探勘工作也總少不了機(jī)械手臂的幫助。機(jī)械手臂的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)如同人一般會(huì)有疲勞感，對(duì)于指令能確實(shí)完成，也不易因?yàn)槿藶槭枋Ф斐蓚Γ@些優(yōu)點(diǎn)在不容許一點(diǎn)錯(cuò)誤的科技發(fā)展上具有極重大的意義，也是為何機(jī)械手臂的應(yīng)用愈發(fā)廣泛的原因。藉由軟件的幫助，能自由控制手臂的動(dòng)作，是本課程設(shè)計(jì)的主要目的。1.5國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)1、工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、

6、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。2、 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。3、工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護(hù)性。4、 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模與決策控制；多傳感器融

7、合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。5、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。6、當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是治理于操作者于機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。7、機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。國際機(jī)器人研究在經(jīng)過了80年代的低潮之后,呈現(xiàn)出復(fù)和繼

8、續(xù)發(fā)展的形勢(shì);我國的機(jī)器人研究在國家七五八五與863計(jì)劃的推動(dòng)下也取得了很大的發(fā)展。在70年代的機(jī)器人浪潮相比,現(xiàn)在的機(jī)器人研究有兩個(gè)特點(diǎn):一是對(duì)機(jī)器人智能的定位有了更加符合實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn),也就是不要求機(jī)器人具有像人類一樣的高智商,而只是要求機(jī)器人在某種程度上具有自主處理問題的能力。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制技術(shù)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)

9、噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)

10、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果，其中最為突出的是水下遙控機(jī)器人，6000m水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、聲覺、觸覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。第二章 機(jī)器人

11、概述2.1機(jī)器人定義 至今還沒有機(jī)器人的統(tǒng)一定義。關(guān)于機(jī)器人的定義，國際上主要有： （1）英國簡明牛津字典的定義：機(jī)器人是“貌似人的自動(dòng)機(jī)，具有智力的和順從于人的但不具人格的機(jī)器”。 （2）美國機(jī)器人協(xié)會(huì)（RIA）的定義：機(jī)器人是“一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動(dòng)作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手”。 （3）國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義：機(jī)器人是一種“自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)”。 我國的科學(xué)家對(duì)機(jī)器人定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)

12、器，這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。2.2機(jī)器人的構(gòu)成與分類 現(xiàn)在的一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，一般由機(jī)械手、環(huán)境、任務(wù)、控制器四個(gè)相互作用的部分組成，其簡化形式為下圖1所示：任務(wù)控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)境外傳感器信息外傳感器信息 圖1 機(jī)器人系統(tǒng)框圖機(jī)器人的分類方法很多，按機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來分，機(jī)器人可分為：柱面坐標(biāo)、球面坐標(biāo)、關(guān)節(jié)球面坐標(biāo)機(jī)器人；若按機(jī)器人的控制方式來分，機(jī)器人可分為：非伺服和伺服機(jī)器人兩種。若按機(jī)器人控制器的信息輸入方式分，可分為手動(dòng)、遙控、智能的機(jī)器人。2.3機(jī)器人的坐標(biāo)變換在描述物體（如零件、工具或機(jī)

13、械手）間關(guān)系時(shí)，要用到位置矢量、平面和坐標(biāo)系等，例如用3×1的位置矢量來確定空間任何一點(diǎn)的位置，即對(duì)于直角坐標(biāo)系A(chǔ)，空間任何一點(diǎn)P的位置可用3×1的陣列矢量表示：AP=px py pzT ?？臻g物體B的方位（Orientation）可由某個(gè)固接于此物體的坐標(biāo)系B的三個(gè)單位主矢量xB yB zB相對(duì)于參考坐標(biāo)系A(chǔ)的方向余弦組成的3X3矩陣描述，即：2.4平移變換 坐標(biāo)A和B有一樣的方位，但原點(diǎn)不重合，則點(diǎn)P在兩個(gè)坐標(biāo)系中的位置矢量滿足下式，變換圖如圖2：圖2 平移變換2.5 旋轉(zhuǎn)變換 坐標(biāo)系A(chǔ)，B有一樣的原點(diǎn)但方位不同，則點(diǎn)P的在兩個(gè)坐標(biāo)系中的位置矢量有如下關(guān)系，旋轉(zhuǎn)圖示如圖

14、3：圖3旋轉(zhuǎn)變換給出任意旋轉(zhuǎn)變換，能夠由下式求得進(jìn)行等效旋轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)軸，即：如一坐標(biāo)系B與參考系重合，現(xiàn)將其繞通過原點(diǎn)的軸f=0.707 0.707 0T轉(zhuǎn)30度，按照上式Labview編程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)后的B如下圖：2.6機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械手是一系列由關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成的。將為機(jī)械手的每一個(gè)連桿建立一個(gè)坐標(biāo)系，并用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài)。若A1表示第一連桿對(duì)基坐標(biāo)的位姿，A2表示第二連桿對(duì)第一個(gè)連桿的位姿。則第二個(gè)連桿對(duì)基坐標(biāo)的位姿為T2=A1A2。2.7 機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)方向如右圖為機(jī)器人的夾持器，設(shè)：接近矢量a：夾持器進(jìn)入物體的方向；z軸；方向矢量o：指尖互相指向 Y軸；法線

15、矢量n：指尖互相指向；x軸夾持器的關(guān)節(jié)為第六個(gè)，即位姿為T6,則：2.8運(yùn)動(dòng)位置和坐標(biāo)用柱面坐標(biāo)表示末端運(yùn)動(dòng)位置，則沿x平移r，繞z軸轉(zhuǎn)a，沿z軸平移z的方程為：即：2.9機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)器人的動(dòng)力特性與力的關(guān)系，具體來說是研究兩類問題。1.動(dòng)力學(xué)正問題：已知機(jī)械手各關(guān)節(jié)的作用力或力矩，求各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度、運(yùn)動(dòng)軌跡。2.動(dòng)力學(xué)逆問題：已知機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，即各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度，求各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力和力矩。 簡單舉例推到動(dòng)力學(xué)方程：若兩連桿機(jī)器人如下圖所示，則對(duì)于連桿一：對(duì)于連桿二：二桿動(dòng)能和勢(shì)能分別為：系統(tǒng)的總動(dòng)能和勢(shì)能與拉格朗日函數(shù)分別為：分別求得：帶入拉格

16、朗日函數(shù)即可求得動(dòng)力學(xué)方程。運(yùn)用labview編寫程序運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，效果圖如下：部分程序如下：第三章 機(jī)器人手臂程序結(jié)構(gòu)與功能I.DrawArm.vi畫手臂該VI含四輸入，一輸出輸入分別為1.Arm Parameters手臂參數(shù)2.style風(fēng)格3.color顏色4.lightDirection亮度方向輸出為1.Arm Picture手臂圖片IIDrawClaw.vi畫爪該VI含七輸入，一輸出輸入分別為1.claw angle爪角度2.picuter in圖片輸入3.center中心4.Diameter直徑5.Fancy美觀6.claw value爪數(shù)值

17、7.claw color爪顏色輸出為1.Picture Out圖片輸出IIIRection Converter.vi反應(yīng)變換該VI含二輸入，二輸出輸入分別為1.Rect變換2.Scale Factor換算因素輸出為1.Center Pt圖片中心2.Pict Rect圖片轉(zhuǎn)換IVDraw span.vi 畫長度該VI含六輸入，二輸出輸入分別為1.center中心2.Picture In圖片輸入3.Circle Spec 圓4.Direction方向5.Light亮度6.style風(fēng)格7.color顏色輸出為1.Picuter Out圖片輸出2.style風(fēng)格VdrawJoint.vi畫連接該VI

18、含五輸入，一輸出輸入分別為1.Picture In圖片輸入2.Rectangle矩形3.color顏色4.style風(fēng)格5.light Direction亮度方向輸出為1.Picture Out圖片輸出VIPt on Circle .vi圓圖片該VI含三輸入，一輸出輸入分別為1.center中心2.Radius半徑3.Angle角度輸出為1.Tangent Pt切線VIIDraw Multiple lines.vi 繪制多條直線該VI含五輸入，一輸出輸入分別為1.圖片2.直線結(jié)束點(diǎn)3.填充4.顏色5.畫筆輸出為1.新圖片VIIIPt on Circle.vi 圓上圖片該VI含三輸入，二輸出輸入

19、分別為1.Center Pt圖片中心2.Rotation旋轉(zhuǎn)3.Diameter直徑輸出為1.First Pt第一圖2.Second Pt第二圖IX.繪制橢圓.vi該VI含五輸入，一輸出輸入分別為1.圖片2.矩形3.填充4.顏色5.畫筆輸出為1.新圖片XLighted Circle.vi亮圓該VI含五輸入，一輸出輸入分別為1.Picture In圖片輸入2.Pict Rect圖片變換3.color顏色4.Light Direction亮度方向5.lowered下限輸出為1.Picture Out圖片輸出XIInnerRect.vi部變換該VI含二輸入，一輸出輸入分別為1.Rectangle I

20、n矩形輸入2.Size/2輸出為1.Rectangle Out矩形輸出XII顯示醒目顏色.vi該VI含二輸入，二輸出輸入分別為1.顏色輸入2.百分比輸出為1.高亮顯示2.陰影XIII繪制弧.vi該VI含五輸入，一輸出輸入分別為1.圖片2.矩形3.填充4.顏色5.畫筆輸出為1.新圖片XIV設(shè)置畫筆狀態(tài).vi該VI含三輸入，一輸出輸入分別為1.Picture 2.顏色3.畫筆輸出為1.圖片2第四章 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)4.1手臂設(shè)計(jì)圖4.2機(jī)器人手臂預(yù)期的功能要求1、本設(shè)計(jì)有三個(gè)臂，分別從下到上是J1,J2，J3,。再加上三個(gè)圓軸。2、六個(gè)關(guān)節(jié)軸的輸入值圍作了一個(gè)初略的限制，六個(gè)軸可輸入值得圍如下：一軸：

21、 -180 180，即 -180 1180（度），可以自由伸縮二軸： -180 180，即 -180 2180 （度）可以自由伸縮三軸： 可以自由開或合并4.3程序模塊設(shè)計(jì)第五章 機(jī)器人手臂程序本章節(jié)主要介紹了本案例中涉與到的程序代碼的介紹，本章著重介紹了各個(gè)子程序的編寫：5.1機(jī)器人手臂完整圖5.2機(jī)器人手制作的程序5.3機(jī)器人手臂旋轉(zhuǎn)的程序5.4機(jī)器人關(guān)節(jié)顏色調(diào)整的程序5.5機(jī)器人手臂移動(dòng)的程序5.6機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的控制程序5.7機(jī)器人手的合5.8機(jī)器人手臂位置控制5.9機(jī)器人關(guān)節(jié)的跳動(dòng)第六章 機(jī)器人手臂功能介紹本章節(jié)介紹了如何使用本案例的機(jī)器人。機(jī)器人的設(shè)計(jì)使基于LabVIeW設(shè)計(jì)，所以其正常的使用時(shí)對(duì)前面板的操作。本案例的前面板共分為以下幾個(gè)模塊:6.1顯示模塊6.2 手臂控制模塊1）控制面板2）大臂的伸縮控制（lengthA）根據(jù)lengthA的大小不同值可以改變大臂的長短(a)手臂縮回(b)手臂伸開3）小臂的伸縮控制（lengthB）根據(jù)lengthB的大小可以改變小臂的長短(a)小臂的縮回（b）小臂伸開4）手的合（Claw Value）根據(jù)Claw Value的大小可以改變手的合（a）手的開（b）