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1、 湘潭大大学毕业设计计说明书书题 目：搬运机机械手控控制系统统的设计计学 院：机械工工程学院院 专 业：机械设设计制造造及其自自动化 学 号：2000307705223 姓 名：陈 辉辉 煌 指导教师师：毛 美 姣姣 完成日期期： 220077年6月月2日 湘 潭潭 大 学毕业论文文（设计计）任务务书论文（设设计）题题目：搬搬运机械械手控制制系统的的设计 学号：22003307005233 姓名：陈辉煌煌 专业： 机械械设计制制造及其其自动化化 指导教师师： 毛毛美姣 系主主任： 周周善炳 一、主要要内容及及基本要要求在本次搬搬运机械械手控制制系统的的设计中中，要完完成的任任务有如如下几个个方
2、面： 1、用机机器人运运动学求求得搬运运机械手手的正解解； 2、由运运动学方方程解得得搬运机机械手各各关节变变量，并并求出轨轨迹方程程； 3、用VVB建立立人机交交互界面面，并根根据轨迹迹方程画画出轨迹迹曲线； 4、实现现VB界界面与PPLC的的通信，以以及对搬搬运机械械手的控控制； 5、写一一份80000字字以上的的毕业设设计说明明书； 6、一篇篇不少于于30000单词词的英文文原文及及中文翻翻译。 二、重点点研究的的问题1、搬运运机械手手运动学学方程正正解的求求解； 2、建立立VB界界面，实实现计算算以及画画出轨迹迹曲线； 3、实现现搬运机机械手的的自动控控制。 三、进度度安排序号各阶段完
3、完成的内内容完成时间间1查阅资料料07.33.155077.3.312总体反方方案设计计07.44.107.4.773搬运机械械手的运运动学位位姿正解解07.44.807.4.2244学习Viisuaal BBasiic软件件，做交交互界面面04.44.255077.4.305编写程序序，实现现机械手手运动的的控制07.55.1.7.5.2206写设计说说明书07.55.211077.5.317准备答辩辩20077年6月月初四、应收收集的资资料及主主要参考考文献1、刘极极峰，易易际明.机器人人技术基基础MM.北北京：高高等教育育出版社社，20006年年. 2、张铁铁.机器器人学M.广州：华南理
4、理工大学学出版社社，20000年年. 3、从爽爽.实用用运动控控制技术术M.北京京：电子子工业出出版社，220066年. 4、钟肇肇新，范范建东.可编程程控制器器原理及及应用M.广州：华南理理工大学学出版社社，20003年年 5、俞建建家.VVisuual Bassic 6.00程序设设计与应应用教程程M.福建建：厦门门大学出出版社，220033年 6、吕伟伟臣.VVisuual Bassic 6.00初级编编程教程程M.北京京：北京京大学出出版社，220022年. 7、大熊熊.机器器人控制制M.北京京：科学学出版社社，20002年年. 8、张海海根.机机电传动动控制M.北京：高等教教育出版版
5、社，220055年. 9、丹尼尼斯.机机器人设设计与控控制MM.北北京：科科学出版版社，220044年. 10、刘刘极峰.计算机机辅助设设计与制制造MM.北北京：高高等教育育出版社社，20004年年. 湘 潭 大 学学毕业论文文（设计计）评阅阅表学号2000300705523 姓名名 陈辉辉煌 专专业 机机械设计计制造及及其自动动化 毕业设计计题目：搬运机机械手控控制系统统的设计计 评价项目目评 价价 内内 容容选题1.是否否符合培培养目标标，体现现学科、专专业特点点和教学学计划的的基本要要求，达达到综合合训练的的目的；2.难度度、份量量是否适适当；3.是否否与生产产、科研研、社会会等实际际相
6、结合合。能力1.是否否有查阅阅文献、综综合归纳纳资料的的能力；2.是否否有综合合运用知知识的能能力；3.是否否具备研研究方案案的设计计能力、研研究方法法和手段段的运用用能力；4.是否否具备一一定的外外文与计计算机应应用能力力；5.工科科是否有有经济分分析能力力。论文（设计）质质量1.立论论是否正正确，论论述是否否充分，结结构是否否严谨合合理；实实验是否否正确，设设计、计计算、分分析处理理是否科科学；技技术用语语是否准准确，符符号是否否统一，图图表图纸纸是否完完备、整整洁、正正确，引引文是否否规范；2.文字字是否通通顺，有有无观点点提炼，综综合概括括能力如如何；3.有无无理论价价值或实实际应用用
7、价值，有有无创新新之处。综合评 价评阅人： 年 月 日湘 潭潭 大 学毕业论文文（设计计）鉴定定意见 学号：22003307005233 姓名：陈辉煌煌 专业业：机械械设计制制造及其其自动化化 毕业论文文（设计计说明书书） 65 页页 图图 表 0 张设计题目目： 搬运运机械手手控制系系统的设设计 内容提要要： 本文是关关于搬运运机械手手控制系系统的设设计，整整个设计计过程中中用到了了机器人人运动学学、可编程控控制器（PPLC）和和Vissuall Baasicc（VBB）程序序设计等等方面的的知识，通通过学习习和综合合运用，能能缩短整整个设计计工计算算量、提提高计算算的准确确率，使使系统控控
8、制操控控直观化化、简单单化。本次课程程设计首首先通过过描述机机器人的的现状与与发展趋趋势阐述述了搬运运机械手手控制系系统的设计意意义。其其次，运运用机器器人运动动学求运运动学方方程正解解，运用用Vissuall Baasicc 建立立人机交互界界面，该该界面利利用机械械手运动动学方程程计算出出关节变变量，按按三次多多项式插插值算法法求得搬运运机械手手的轨迹迹方程以以及根据据方程画画出相应应轨迹曲曲线。最最后编写写程序，用用PLCC控制搬运运机械手手的动作作，实现现机械手手的自动动控制。此次设计计，讲述述了机械械手动作作的控制制过程，其其中Viisuaal BBasiic界面面的应用用，使整整个
9、过程变得得简单而而准确，为为机械手手的研究究提供了了很大的的方便。指导教师师评语指导教师师： 年 月月 日答辩简要要情况及及评语答辩小组组组长： 年 月月 日答辩委员员会意见见答辩委员员会主任任： 年 月月 日目 录摘要11第1章 引言21. 11课题研研究趋势势与意义义21.2串串联关节节机器人人的发展展和现状状31.3本本文的研研究内容容和主要要工作3第2章PPLC控控制系统统及实现现52.1机机械手及及控制器器主要参参数52.2简简述机械械手动作作的实现现62.3控控制软件件的设计计62.3.1 PPLC的的选择62.3.2 光光电编码码器62.3.3 接接口电路路72.3.4 控控制原
10、理理及程序序73.1引引言93. 22机械手手运动学学数学基基础93.2.1机器器人位置置与姿态态的描述述12293.3空空间齐次次坐标变变换113.3.1坐标标变换113.3.2齐次次坐标变变换123.3 点在空空间直角角坐标系系中绕过过原点任任意轴的的一般旋旋转变换换133.4 Dennavtt-Haarteenbeerg(D-HH)表示示法153.4.1 坐坐标系的的建立153.4.2 几几何参数数定义163.4.3 建建立坐标标系和坐坐标系的的齐次变变换矩阵阵16第4章 机器人人运动学学方程的的求解184.1机机器人正正向运动动学184.2 机器人人逆向运运动学20第5章 机械手手轨迹
11、规规划225.1 机器人人轨迹的的概念225.2 轨迹的的生成方方式225.2.1 轨轨迹规划划涉及的的主要问问题225.3 插补方方式分类类235.4 机器人人轨迹插插值计算算235.4.1 三三次多项项式插值值245.4.2机械械手轨迹迹规划。25第6章 系统交交流界面面设计276.1VVisuual Bassic66.0简简介276.2 VB设设计任务务286.3 窗体设设计286.4窗窗体运行行29参考文献献22致谢333附录I程程序清单单34附录I程程序清单单50附录IIII外文文原文55搬运机械械手控制制系统的的设计摘 要:本文运运用运动动学的研研究方法法建立了了串联机机械手运运动
12、模型型，并用用Vissuall Baasicc 6.0通过过逆运动动学对其其运动轨轨迹的规规划做分分析。首先，本本文建立立了参考考坐标系系和运动动坐标系系，给出出串联机机械手在在这两个个坐标系系中的描描述方法法，并且且定义了了串联机机械手的的机构参参数，以以及相关关数学知知识的介介绍。在在此基础础上，建建立起了了串联机机械手的的正解模模型。机机械手的的动作过过程由三三菱公司司生产的的PLCC实行控控制。其其次，通通过利用用串联机机械手的的逆解模模型结论论，对机机械手的的轨迹进进行分析析。此过过程中 ，应用用了功能能强大的的Vissuall Baasicc 6.0，进进行自动动运算，并并利用其其
13、可视化化功能做做出简单单人机交交流界面面，计算算并显示示出机械械手的轨轨迹曲线线，使得得机械手手的轨迹迹规划更更为直观观、易懂懂。本文的研研究工作作对串联联关节型型机械手手的设计计具有一一定的指指导意义义。运用用本文的的研究方方法，可可以有效效提高机机械手的的设计质质量和缩缩短设计计周期。关键词：机械手手，正解解模型，VVisuual Bassic 6.00，PLLC，轨轨迹规划划Desiign of Hanndinng MManiipullatoor CConttroll Syysteem Absttracct:Thiss paaperr sttudiies thee usse oof kk
14、ineemattic metthodd off Taandeem mmaniipullatoor mmotiion moddel, ussingg Viisuaal BBasiic 66.0 invversse kkineematticss thhrouugh itss trrajeectoory plaanniing to do thee annalyysiss.Firsst, thiis ppapeer sset up a rrefeerennce cooordiinatte ssysttem andd cooorddinaatess moovemmentt, ggiveen thee d
15、eescrripttionn off taandeem mmaniipullatoor iin tthiss twwo ccoorrdinnatees, andd thhe ddefiinittionn off thhe sseriies mannipuulattor boddy pparaametterss annd tthe asssociiateed mmathhemaaticcal knoowleedgee prreseentaatioon. On thiis bbasiis, esttabllishhed a sseriies of possitiive mannipuulattor
16、 moddel. Meechaaniccal movvemeent of thee haandss frrom thee prroceess of prooducctioon oof MMitssubiishii Coorpoorattionn PLLC cconttroll. SSecoondlly, thrrouggh tthe usee off seeriaal mmaniipullatoor iinveersee kiinemmatiics moddel conncluudess thhat thee maanippulaatorr trrajeectoory anaalyssis.
17、Duurinng tthiss prroceess, thhe aappllicaatioon oof tthe powwerfful Vissuall Baasicc 6.0, auttomaaticc opperaatioon, andd thhe uuse of vissuallizaatioon ffuncctioons madde ssimpple mann-maachiine intterffacee exxchaangee, ccalcculaatedd annd sshowwn mmaniipullatoor ccurvves, maake mannipuulattor tra
18、ajecctorry pplannninng mmoree inntuiitivve, unddersstanndabble.The ressearrch of thiis papper is verry useefull forr thee chaain-strructtureed robbot. itt wiilliimprrovee robbot dessignn quualiity andd shhortten thee deesiggn ttimee.Key worrds:Maniipullatoor, possitiive sollutiion moddel, Viisuaal B
19、Basiic 66.0, PLLC, traajecctorry pplannninng 第1章 引言1.1工工业机器器人的发发展和现现状机器人是是一种被被设计用用来移动动物体、部部件、工工具或者者特定设设备的，可可以重复复编程、具具有多种种功能的的操作器器.它通过过一系列列可变的的程控动动作来完完成各种种各样的的任务。通通常工业业机器人人大致分分为以下下三类:1) 串串联结构构机器人人2) 框框架结构构机器人人3) 并并行机构构机器人人从结构上上看，并并行结构构机器人人的运动动平台通通过相互互关联的的多个运运动链与与下平台台相连，这这使并行行结构机机器人具具有刚性性高、承承载能力力大和精精度
20、好等等特点。它它的主要要缺点是是控制复复杂，使使得它很很难应用用高阶控控制方法法，从而而妨碍了了这种机机器人的的应用。框框架结构构机器人人工作空空间比较较小，操操作灵活活性受到到限制。串联结构构机器人人具有较较大的工工作空间间和较高高的运动动灵巧度度，常用用的结构构是串联联关节形形式，它它采用串串联链式式结构和和全关节节驱动，容容易建立立运动学学和动力力学模型型，可以以采用一一些先进进的、实实时的控控制算法法，其动动作灵活活，避障障性好。由由于串联联结构机机器人采采用悬臂臂梁式的的手臂结结构和关关联的驱驱动系统统，使得得该类机机器人存存在着一一些固有有缺陷如如操作精精度性欠欠佳，难难以完全全平
21、衡，且且运动存存在耦合合等问题题，但总总体数量量目前应应用越来来越多。在在本文中中研究的的机器人人是串联联机构机机器人的的一类一一一串联联关节机机器人，如如图1.1所示示。图1-11 垂直直关节机机器人示示意图这类机器器人的基基本结构构是串联联的六自自由度开开链式，关关节相互互垂直或或平行，每每个关节节都有单单独的驱驱动机构构。前三三个关节节(包括基基座、腰腰部和臂臂部)具有三三个转动动自由度度，确定定手部在在空间的的位置，这这三个关关节和联联接他们们的杆件件所构成成的机构构称为机机械手的的位置机机构;后三个个关节(腕部)的主要要功能是是确定手手部在空空间的姿姿势，这这三个关关节和联联接他们们
22、的杆件件所构成成的机构构称作姿姿势机构构。位置置机构可可基本确确定机械械手的工工作空间间范围，前前三个关关节的运运动称作作机械手手的主运运动;后三个个关节的的运动称称作姿态态运动，姿姿态机构构主要确确定机械械手的工工作姿态态。所有有的关节节驱动器器共同参参与控制制，来完完成机械械手的六六自由度度运动，以以实现终终端执行行器按一一定姿态态到达工工作空间间的每个个工作点点，本文文主要讨讨论除手手指关节节外的其其它五个个自由度度。串联关节节机器人人一般可可用一个个开环关关节链来来建模，此此链由数数个刚体体(杆件)用驱动动器驱动动的移动动或转动动关节串串联而成成，开链链的一端端固接在在基座上上，另一一
23、端是自自由的，安安装着工工具(终端执执行器)，用以以操纵物物体，或或完成装装配作业业。这类类机械手手属于空空间机构构，运动动通常只只用转动动和移动动两类。用用转动相相联的关关节成为为转动关关节;以移动动相联的的关节成成为移动动关节。单单独驱动动的主动动关节数数目成为为机械手手的自由由度数。本本文要研研究串联联关节机机器人的的五个关关节都是是转动关关节。随着技术术的进步步，串联联结构机机器人本本体结构构近100年来发发展变化化很快，从从开始的的含有局局部闭链链的平行行四边形形机构，到到改变为为大储采采用新型型的非平平行四边边形的单单连杆机机构，工工作空间间有所增增加，本本体自重重进一步步减小，变
24、变得更加加轻巧，新新材料的的采用如如轻质铝铝合金材材料的应应用，大大大提高高了机器器人的性性能，并并逐渐成成为串联联结构机机器人普普遍采用用的结构构之一。1.2课课题的提提出及意意义进入200世纪900年代以以来，由由于具有有一般功功能的传传统工业业机器人人的应用用趋向饱饱和，而而许多高高级生产产和特种种应用则则需要具具有各种种智能的的机器人人参与，因因而促使使智能机机器人获获得较为为迅速的的发展。无无论从国国际或国国内的角角度来看看，复苏苏和继续续发展机机器人产产业的一一条重要要途径就就是开发发各种智智能机器器人，以以求提高高机器人人的性能能，扩大大其功能能和应用用领域。回回顾近110多年年
25、来国内内外机器器人技术术的发展展历程，可可以归纳纳出下列列趋势:1)传感感型智能能机器人人发展较较快2)开发发新型智智能技术术3)采用用模块化化设计技技术4)机器器人工程程系统呈呈上升趋趋势5)微型型机器人人的研究究有所突突破6)应用用领域向向非制造造业和服服务业扩扩展从整个工工业领域域来看，对对工业机机器人需需求越来来越大，性性能指标标越来越越高。运运动学系系统是工工业机器器人的底底层核心心部分，对对其关键键技术，如如运动学学建模、运运动学方方程的求求解、运运动空间间插值算算法等的的研究，将将从很大大程度上上决定着着一个机机器人系系统的基基本性能能。随着着科技的的发展，机机器人已已成为工工业
26、的现现代化程程度的标标志，机机器人学学是一门门高度交交叉的前前沿学科科，与机机械学、生生物学、人人类学、计计算机科科学与工工程、控控制论与与控制工工程学、人人工智能能、社会会学等。机机器人学学包含机机器人运运动学、机机器人动动力学、机机器人控控制、机机器人智智能化等等领域有有着不同同层次意意义的联联系，本本文以对对机器手手的控制制及运动动学系统统为主线线，对如如何实现现机器手手动作作作了较深深入的研研究与讨讨论。总的说来来，对于于机器人人控制及及运动系系统的研研究在理理论和应应用上都都具有重重要的意意义。本本文基于于上述的的串联关关节机器器人为研研究对象象，对GGR-11型教学学机械手手的运动
27、动及控制制进行研研究。1.3本本文的研研究内容容和主要要工作本文以GGR-11型教学学机械手手为研究究对象，对对其进行行运动学学求解；并利用用其结果果对机械械手的轨轨迹进行行规划；最后利利用其轨轨迹规划划的结果果，对机机械手的的运动进进行自动动控制。该该内容由由两人共共同完成成，本人人具体完完成以下下工作：1、对机机械手进进行位姿姿描述，应应用D-H参数法法建立串串联关节节机器人人杆件坐坐标系，求求解位姿姿正解。2、对机机械手的的轨迹进进行规划划，采用用三次多多项式插插值运算算的方法法，利用用由机器器人运动动学解得得的关节节变量求求得运动动轨迹方方程。3、用VVisuual Bassic 6.
28、00软件做做出人机机交互界界面，在在界面上上显示计计算结果果和轨迹迹曲线图图。4、编写写机械手手控制程程序，通通过Viisuaal BBasiic 66.0界界面将结结果输出出并将控控制数据据输入PPLC，实实现对机机械手的的自动控控制。第2章PPLC控控制系统统及实现现2.1机机械手及及控制器器主要参参数1 机械械手a、自由由度：55（不包包括手指指开闭控控制）b、各关关节活动动范围：腰： 肩： 肘： 2700。手俯仰： 手指旋转转：c、最大大活动区区域：垂直方向向：8550mmm水平方向向：6000mmmd、基本本尺寸：上、下臂臂长：2228mmm手后部：73mmme、各轴轴分辨率率如表2
29、2-1：表2-11 各轴轴分辨率率参数轴电机代号号分辨率（度度/脉冲冲）躯干M10.144上臂M20.111下臂M30.111手俯仰M40.111手指旋转转M50.2442 电机机工作电压压：U = 12 V空载转速速：n = 30000 rr/minn空载电流流：I = 0.115 AA2.2简简述机械械手动作作的实现现GR11型教学学机械手手主要由由机械和和控制两两大部分分组成，本本论文主主要对其其控制部部分进行行研究。该机械手手采用的的是串联联式关节节机械手手，全部部采用开开链式，结结构简单单，整个个机械手手分5个个自由度度：腰、肩肩关节、肘肘关节、腕腕关节和和手指，全全部有直直流电机机
30、驱动。控控制功能能的实现现主要是是通过对对控制器器的编程程，由光光电编码码器检测测各电机机的旋转转角位移移，再结结合PLLC来控控制各个个电机的的角位移移，从而而实现对对机械手手各个关关节较精精确的运运动以实实现机械械手预期期的动作作。光电编码码器起控控制直流流电机角角位移精精度作用用，固定定于电机机转轴上上与电机机同步运运转。系系统工作作时，各各光电编编码器输输出一系系列与直直流电机机运转角角度相对对应的脉脉冲信号号，经转转换电路路将序列列脉冲电电压信号号转换成成PLCC可以接接收的开开关信号号，在PPLC内内部通过过计数器器计数后后得到一一个电机机实际的的角位移移信号，运运行PLLC控制制
31、程序，获获得确定定输出，再再通过外外电路由由PLCC的输出出信号来来控制电电机的启启动停止止，以实实现机械械手的预预期动作作。下面面将对PPLC如如何控制制直流电电机来实实现机械械手动作作实现的的方案来来做说明明。2.3控控制软件件的设计计实现PLLC对机机械手的的控制，要要将各杆杆件的运运动控制制转换成成对机械械手各电电机角位位移的控控制。要要使机械械手手抓抓到达预预期的位位置就要要计算出出每个关关节运动动的角度度，即每每个电机机所应转转的角度度，这可可通过对对各空间间坐标系系的相对对运动在在运动学学基础上上计算得得到，最最后，将将其转换换成PLLC内部部控制指指令即可可实现软软件控制制。2
32、.3.1 PPLC的的选择PLC类类型的选选择主要要考虑两两个方面面：输入入输出点点的数目目和存储储容量。容容量有计计算公式式：指令条数数=（输输入点数数+输出出点数）(10-12)再留有115%左左右的备备用量，根根据外部部电路的的特点得得到输入入、输出出点的数数目，最最后选定定用三菱菱公司生生产的FFX2N64MRR型PLCC。具体体计算和和分析过过程参照照同组同同学毕业业设计说说明书。2.3.2光电电编码器器机械手各各个电机机角位移移的准确确控制是是通过光光电编码码器反馈馈的信息息来实现现的，每每个直流流电机输输出轴上上都装有有光电编编码器，通通过它实实现光电电脉冲转转换及对对电机转转角的检检测。光光电编码码器主要要是由控控制电路路板、光光电耦合合器及遮遮光盘组组成。随随码盘旋旋转，输输出一系系列计数数脉冲。增增量式编编码器需需要预先先指定一一