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机械手-搬运机械手控制系统的设计(不含CAD图纸).rar

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    编号:20180915103624687    类型:共享资源    大小:671.24KB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    机械手 搬运 控制系统 设计 CAD 图纸
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    毕业论文(设计)任务书论文(设计)题目:搬运机械手控制系统的设计 一、主要内容及基本要求在本次搬运机械手控制系统的设计中,要完成的任务有如下几个方面: 1、用机器人运动学求得搬运机械手的正解; 2、由运动学方程解得搬运机械手各关节变量,并求出轨迹方程; 3、用 VB 建立人机交互界面,并根据轨迹方程画出轨迹曲线; 4、实现 VB 界面与 PLC 的通信,以及对搬运机械手的控制; 5、写一份 8000 字以上的毕业设计说明书; 6、一篇不少于 3000 单词的英文原文及中文翻译。 二、重点研究的问题1、搬运机械手运动学方程正解的求解; 2、建立 VB 界面,实现计算以及画出轨迹曲线; 3、实现搬运机械手的自动控制。 三、应收集的资料及主要参考文献1、刘极峰,易际明.机器人技术基础[M].北京:高等教育出版社,2006 年. 2、张铁.机器人学[M].广州:华南理工大学出版社,2000 年. 3、从爽.实用运动控制技术[M].北京:电子工业出版社,2006 年. 4、钟肇新,范建东.可编程控制器原理及应用[M].广州:华南理工大学出版社,2003年 5、俞建家.Visual Basic 6.0 程序设计与应用教程[M].福建:厦门大学出版社,2003 年 6、吕伟臣.Visual Basic 6.0 初级编程教程[M]. 北京:北京大学出版社, 2002 年. 7、大熊.机器人控制[M].北京:科学出版社,2002 年. 8、张海根.机电传动控制[M].北京:高等教育出版社,2005 年. 9、丹尼斯.机器人设计与控制[M].北京:科学出版社,2004 年. 10、刘极峰.计算机辅助设计与制造[M].北京:高等教育出版社,2004 年. 目 录摘要 ..........................................................1第 1 章 引言 ...................................................21. 1 课题研究趋势与意义 ................................................................................................21.2 串联关节机器人的发展和现状 .................................................................................31.3 本文的研究内容和主要工作 .....................................................................................3第 2 章 PLC 控制系统及实现 ......................................52.1 机械手及控制器主要参数 .........................................................................................52.2 简述机械手动作的实现 .............................................................................................62.3 控制软件的设计 .........................................................................................................62.3.1 PLC 的选择 .......................................................................................................62.3.2 光电编码器 ......................................................................................................62.3.3 接口电路 ..........................................................................................................72.3.4 控制原理及程序 ..............................................................................................73.1 引言 .............................................................................................................................93. 2 机械手运动学数学基础 ............................................................................................93.2.1 机器人位置与姿态的描述 [12]...........................................................................93.3 空间齐次坐标变换 ...................................................................................................113.3.1 坐标变换 .........................................................................................................113.3.2 齐次坐标变换 .................................................................................................123.3 点在空间直角坐标系中绕过原点任意轴的一般旋转变换 ..................................133.4 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 ...............................................................................153.4.1 坐标系的建立 ................................................................................................153.4.2 几何参数定义 ................................................................................................163.4.3 建立坐标系和坐标系的齐次变换矩阵 ........................................................16第 4 章 机器人运动学方程的求解 ................................184.1 机器人正向运动学 ...................................................................................................184.2 机器人逆向运动学 .................................................................................................20第 5 章 机械手轨迹规划 ........................................225.1 机器人轨迹的概念 ..................................................................................................225.2 轨迹的生成方式 ......................................................................................................225.2.1 轨迹规划涉及的主要问题 ............................................................................225.3 插补方式分类 ..........................................................................................................235.4 机器人轨迹插值计算 ..............................................................................................235.4.1 三次多项式插值 ............................................................................................245.4.2 机械手轨迹规划。 .........................................................................................25第 6 章 系统交流界面设计 ......................................276.1Visual Basic6.0 简介 ..................................................................................................276.2 VB 设计任务 .............................................................................................................286.3 窗体设计 ..................................................................................................................286.4 窗体运行 ...................................................................................................................29参考文献 .....................................................22致谢 .........................................................33附录:程序清单 ...............................................34附录:程序清单 ...............................................50附录:外文原文 ...............................................55如需联系作者 QQ 4013398281搬运机械手控制系统的设计摘 要:本文运用运动学的研究方法建立了串联机械手运动模型,并用 Visual Basic 6.0通过逆运动学对其运动轨迹的规划做分析。首先,本文建立了参考坐标系和运动坐标系,给出串联机械手在这两个坐标系中的描述方法,并且定义了串联机械手的机构参数,以及相关数学知识的介绍。在此基础上,建立起了串联机械手的正解模型。机械手的动作过程由三菱公司生产的PLC实行控制。其次,通过利用串联机械手的逆解模型结论,对机械手的轨迹进行分析。此过程中 ,应用了功能强大的Visual Basic 6.0,进行自动运算,并利用其可视化功能做出简单人机交流界面,计算并显示出机械手的轨迹曲线,使得机械手的轨迹规划更为直观、易懂。本文的研究工作对串联关节型机械手的设计具有一定的指导意义。运用本文的研究方法,可以有效提高机械手的设计质量和缩短设计周期。关键词:机械手,正解模型,Visual Basic 6.0,PLC,轨迹规划2Design of Handing Manipulator Control System Abstract:This paper studies the use of kinematic method of Tandem manipulator motion model, using Visual Basic 6.0 inverse kinematics through its trajectory planning to do the analysis.First, this paper set up a reference coordinate system and coordinates movement, given the description of tandem manipulator in this two coordinates, and the definition of the series manipulator body parameters and the associated mathematical knowledge presentation. On this basis, established a series of positive manipulator model. Mechanical movement of the hands from the process of production of Mitsubishi Corporation PLC control. Secondly, through the use of serial manipulator inverse kinematics model concludes that the manipulator trajectory analysis. During this process, the application of the powerful Visual Basic 6.0, automatic operation, and the use of visualization functions made simple man-machine interface exchange, calculated and shown manipulator curves, make manipulator trajectory planning more intuitive, understandable.The research of this paper is very useful for the chain-structured robot. it willimprove robot design quality and shorten the design time.Key words:Manipulator, positive solution model, Visual Basic 6.0, PLC, trajectory planning 3第 1 章 引言1.1 工业机器人的发展和现状机器人是一种被设计用来移动物体、部件、工具或者特定设备的,可以重复编程、具有多种功能的操作器.它通过一系列可变的程控动作来完成各种各样的任务。通常工业机器人大致分为以下三类:1) 串联结构机器人2) 框架结构机器人3) 并行机构机器人从结构上看,并行结构机器人的运动平台通过相互关联的多个运动链与下平台相连,这使并行结构机器人具有刚性高、承载能力大和精度好等特点。它的主要缺点是控制复杂,使得它很难应用高阶控制方法,从而妨碍了这种机器人的应用。框架结构机器人工作空间比较小,操作灵活性受到限制。串联结构机器人具有较大的工作空间和较高的运动灵巧度,常用的结构是串联关节形式,它采用串联链式结构和全关节驱动,容易建立运动学和动力学模型,可以采用一些先进的、实时的控制算法,其动作灵活,避障性好。由于串联结构机器人采用悬臂梁式的手臂结构和关联的驱动系统,使得该类机器人存在着一些固有缺陷如操作精度性欠佳,难以完全平衡,且运动存在耦合等问题,但总体数量目前应用越来越多。在本文中研究的机器人是串联机构机器人的一类一一串联关节机器人,如图 1.1 所示。图 1-1 垂直关节机器人示意图这类机器人的基本结构是串联的六自由度开链式,关节相互垂直或平行,每个关4节都有单独的驱动机构。前三个关节(包括基座、腰部和臂部)具有三个转动自由度,确定手部在空间的位置,这三个关节和联接他们的杆件所构成的机构称为机械手的位置机构;后三个关节(腕部)的主要功能是确定手部在空间的姿势,这三个关节和联接他们的杆件所构成的机构称作姿势机构。位置机构可基本确定机械手的工作空间范围,前三个关节的运动称作机械手的主运动;后三个关节的运动称作姿态运动,姿态机构主要确定机械手的工作姿态。所有的关节驱动器共同参与控制,来完成机械手的六自由度运动,以实现终端执行器按一定姿态到达工作空间的每个工作点,本文主要讨论除手指关节外的其它五个自由度。串联关节机器人一般可用一个开环关节链来建模,此链由数个刚体(杆件)用驱动器驱动的移动或转动关节串联而成,开链的一端固接在基座上,另一端是自由的,安装着工具(终端执行器),用以操纵物体,或完成装配作业。这类机械手属于空间机构,运动通常只用转动和移动两类。用转动相联的关节成为转动关节;以移动相联的关节成为移动关节。单独驱动的主动关节数目成为机械手的自由度数。本文要研究串联关节机器人的五个关节都是转动关节。随着技术的进步,串联结构机器人本体结构近 10 年来发展变化很快,从开始的含有局部闭链的平行四边形机构,到改变为大储采用新型的非平行四边形的单连杆机构,工作空间有所增加,本体自重进一步减小,变得更加轻巧,新材料的采用如轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人的性能,并逐渐成为串联结构机器人普遍采用的结构之一。1.2 课题的提出及意义进入 20 世纪 90 年代以来,由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和,而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与,因而促使智能机器人获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看,复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人,以求提高机器人的性能,扩大其功能和应用领域。回顾近 10 多年来国内外机器人技术的发展历程,可以归纳出下列趋势:1)传感型智能机器人发展较快2)开发新型智能技术3)采用模块化设计技术4)机器人工程系统呈上升趋势5)微型机器人的研究有所突破6)应用领域向非制造业和服务业扩展从整个工业领域来看,对工业机器人需求越来越大,性能指标越来越高。运动学5系统是工业机器人的底层核心部分,对其关键技术,如运动学建模、运动学方程的求解、运动空间插值算法等的研究,将从很大程度上决定着一个机器人系统的基本性能。随着科技的发展,机器人已成为工业的现代化程度的标志,机器人学是一门高度交叉的前沿学科,与机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人智能化等领域有着不同层次意义的联系,本文以对机器手的控制及运动学系统为主线,对如何实现机器手动作作了较深入的研究与讨论。总的说来,对于机器人控制及运动系统的研究在理论和应用上都具有重要的意义。本文基于上述的串联关节机器人为研究对象,对 GR-1 型教学机械手的运动及控制进行研究。1.3 本文的研究内容和主要工作本文以 GR-1 型教学机械手为研究对象,对其进行运动学求解;并利用其结果对机械手的轨迹进行规划;最后利用其轨迹规划的结果,对机械手的运动进行自动控制。该内容由两人共同完成,本人具体完成以下工作:1、对机械手进行位姿描述,应用 D-H 参数法建立串联关节机器人杆件坐标系,求解位姿正解。2、对机械手的轨迹进行规划,采用三次多项式插值运算的方法,利用由机器人运动学解得的关节变量求得运动轨迹方程。3、用 Visual Basic 6.0 软件做出人机交互界面,在界面上显示计算结果和轨迹曲线图。4、编写机械手控制程序,通过 Visual Basic 6.0 界面将结果输出并将控制数据输入 PLC,实现对机械手的自动控制。6第 2 章 PLC 控制系统及实现2.1 机械手及控制器主要参数1 机械手a、自由度:5(不包括手指开闭控制)b、各关节活动范围:腰: ≥ 180肩: ≥ 2肘: ≥270。手俯仰: ≥ 7手指旋转:≥ 360c、最大活动区域:垂直方向:850 mm水平方向:600 mmd、基本尺寸:上、下臂长:228 mm手后部:73 mme、各轴分辨率如表 2-1:表 2-1 各轴分辨率参数轴 电机代号 分辨率(度/脉冲)躯干 M1 0.14上臂 M2 0.11下臂 M3 0.11手俯仰 M4 0.11手指旋转 M5 0.242 电机工作电压: U = 12 V空载转速: n = 3000 r/min空载电流: I = 0.15 A72.2 简述机械手动作的实现GR—1 型教学机械手主要由机械和控制两大部分组成,本论文主要对其控制部分进行研究。该机械手采用的是串联式关节机械手,全部采用开链式,结构简单,整个机械手分 5 个自由度:腰、肩关节、肘关节、腕关节和手指,全部有直流电机驱动。控制功能的实现主要是通过对控制器的编程,由光电编码器检测各电机的旋转角位移,再结合 PLC 来控制各个电机的角位移,从而实现对机械手各个关节较精确的运动以实现机械手预期的动作。光电编码器起控制直流电机角位移精度作用,固定于电机转轴上与电机同步运转。系统工作时,各光电编码器输出一系列与直流电机运转角度相对应的脉冲信号,经转换电路将序列脉冲电压信号转换成 PLC 可以接收的开关信号,在 PLC 内部通过计数器计数后得到一个电机实际的角位移信号,运行 PLC 控制程序,获得确定输出,再通过外电路由 PLC 的输出信号来控制电机的启动停止,以实现机械手的预期动作。下面将对 PLC 如何控制直流电机来实现机械手动作实现的方案来做说明。2.3 控制软件的设计实现 PLC 对机械手的控制,要将各杆件的运动控制转换成对机械手各电机角位移的控制。要使机械手手抓到达预期的位置就要计算出每个关节运动的角度,即每个电机所应转的角度,这可通过对各空间坐标系的相对运动在运动学基础上计算得到,最后,将其转换成 PLC 内部控制指令即可实现软件控制。2.3.1 PLC 的选择PLC 类型的选择主要考虑两个方面:输入输出点的数目和存储容量。容量有计算公式:指令条数=(输入点数+输出点数) (10--12)再留有 15%左右的备用量,根据外部电路的特点得到输入、输出点的数目,最后选定用三菱公司生产的 FX2N—64MR 型 PLC。具体计算和分析过程参照同组同学毕业设计说明书。2.3.2 光电编码器机械手各个电机角位移的准确控制是通过光电编码器反馈的信息来实现的,每个直流电机输出轴上都装有光电编码器,通过它实现光电脉冲转换及对电机转角的检测。光电编码器主要是由控制电路板、光电耦合器及遮光盘组成。随码盘旋转,输出一系列计数脉冲。增量式编码器需要预先指定一个基数:零位。输出脉冲相对于基数进行加减,从而测量出码盘位移,即电机的角位移。码盘固定在电机转轴上,随电机的旋
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