基于機(jī)器視覺的機(jī)械手定位設(shè)計(jì)-控制系統(tǒng)

課題名稱基于機(jī)器視覺的機(jī)械手定位設(shè)計(jì)--控制系統(tǒng) 緒論1.1設(shè)計(jì)的背景及意義隨著我國各個(gè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，尤其是我國的農(nóng)業(yè)技術(shù)水平和工業(yè)技術(shù)水平得到了很大的提高，農(nóng)業(yè)和工業(yè)的發(fā)展是我國進(jìn)步的一個(gè)標(biāo)志。工業(yè)和農(nóng)業(yè)逐漸向著機(jī)械化和自動(dòng)化發(fā)展，一些可編程控制器PLC和機(jī)械手不斷的運(yùn)用到工業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)之中以代替人工進(jìn)行操作。PLC是一種數(shù)字化運(yùn)算代替了電子信息系統(tǒng)的控制器，雖然輸入的條件不一樣，但是PLC完成的任務(wù)是一樣的，可靠性高，寫程序方便，讀程序時(shí)容易看懂，占用的空間小，都在室內(nèi)安裝，維護(hù)方便，能適應(yīng)各種工業(yè)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)[1]。PLC控制和繼電器控制相比是無觸點(diǎn)設(shè)備，通過編程就能進(jìn)行控制，它能夠在各種工業(yè)和農(nóng)業(yè)環(huán)境下進(jìn)行操作，而且通過簡單的編程就能實(shí)現(xiàn)各種所需要的功能。改變一小段程序就能改變它的工作狀態(tài)，得到不同的控制結(jié)果。PLC可以實(shí)現(xiàn)在機(jī)器控制車間以外控制，這樣既減少了人工做業(yè)時(shí)機(jī)器對(duì)人造成的危險(xiǎn)性，而且提高了生產(chǎn)效率[2]。隨著PLC的不斷升級(jí)和改進(jìn)，簡單的一臺(tái)電機(jī)控制已經(jīng)實(shí)現(xiàn)不了所需要的控制要求，所以人們開始組合幾臺(tái)電機(jī)通過PLC進(jìn)行控制，所以三軸控制系統(tǒng)和多軸控制系統(tǒng)控制的機(jī)械手不斷的運(yùn)用到工業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)人們的需求。目前機(jī)械手技術(shù)性能在不斷增強(qiáng)，應(yīng)用在領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，所以控制精度也有了很大提高。機(jī)械手的運(yùn)用可以滿足大批量的生產(chǎn)要求，不用培訓(xùn)輸入程序就能快速投入生產(chǎn)，可以避免生產(chǎn)過程中人為造成的影響。通過PLC控制機(jī)械手定位，是機(jī)械手發(fā)展的一個(gè)方向。機(jī)械手的重復(fù)定位精度和運(yùn)行工作時(shí)的速度是機(jī)械手控制的兩個(gè)重要指標(biāo)[3]。通過機(jī)器視覺系統(tǒng)控制機(jī)械手，使機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域更加擴(kuò)大。機(jī)器視覺系統(tǒng)運(yùn)用和自動(dòng)化設(shè)備相互配合能夠提高設(shè)備的智能化、自動(dòng)化程度，提高設(shè)備的使用率和可靠性能，更加有效的發(fā)揮了自動(dòng)化設(shè)備的效能[4]。在大批量生產(chǎn)的工廠中，通過讓你用肉眼檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率很低，而且準(zhǔn)確度不高，檢測的精度也不高。用攝像頭監(jiān)控檢測方法可以大大提高生產(chǎn)質(zhì)量和工廠的自動(dòng)化程度。人們長時(shí)間用肉眼看同一個(gè)工作過程，視覺上會(huì)產(chǎn)生幻覺錯(cuò)誤，而攝像頭監(jiān)控則可以一直進(jìn)行檢測、測量、分析和識(shí)別任務(wù)。現(xiàn)在工廠的工人成本不斷增加，通過機(jī)器視覺和機(jī)械手的配合，可以實(shí)現(xiàn)無人操作，給工廠減輕了成本負(fù)擔(dān)，工廠可以將省下的人工成本用于其他產(chǎn)品的研究和開發(fā)[5]。在今后工業(yè)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化控制發(fā)展過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)控制的機(jī)械手控制是必不可缺的一部分，它能代替人工進(jìn)行更高難度操作，生產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量更好，生產(chǎn)成本更少，生產(chǎn)過程中完成期限更短，能完成人工實(shí)現(xiàn)不了的工作，同時(shí)還提高了自動(dòng)化水平，一定程度上增加了產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量，對(duì)于工業(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)機(jī)械手的運(yùn)用領(lǐng)域很廣泛，起初機(jī)械手在我國主要運(yùn)用在化工等行業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，用機(jī)械手進(jìn)行焊接、切割、搬運(yùn)物體及包裝。后來機(jī)械手不斷發(fā)展，用控制模塊進(jìn)行控制，可靠性不斷提高，操作過程也變得容易、快捷和出現(xiàn)故障還可以維修。傳感器的地位也變的很重要，之前一直只有位置和速度傳感器，現(xiàn)在機(jī)械手上添加了視覺、力覺、觸覺傳感器，通過這些傳感器的配合使用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用遙控器操作機(jī)械手工作。改善了機(jī)械手的缺陷，而應(yīng)用最具有代表性的就是機(jī)器人的出現(xiàn)[6]。在國內(nèi)機(jī)器人和機(jī)器視覺剛開始發(fā)展時(shí)，比發(fā)達(dá)國家晚很多，各方面的知識(shí)還欠缺。而經(jīng)過了二十幾年的發(fā)展和運(yùn)用，在國內(nèi)的機(jī)器視覺和機(jī)器人技術(shù)在很多方面發(fā)展很快，突破性很強(qiáng)。這也離不開國家科技發(fā)展的策略和對(duì)科技創(chuàng)新的扶持，通過機(jī)器視覺控制機(jī)械手定位是機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)相關(guān)企業(yè)對(duì)機(jī)器視覺和設(shè)備相結(jié)合方面進(jìn)行了大量研究，如凌云光技術(shù)集團(tuán)研發(fā)的視覺組件VisionRobot,VisionRobot是配合工業(yè)機(jī)器人工作的機(jī)器視覺系統(tǒng)，提高了在機(jī)器視覺下運(yùn)行多維運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)機(jī)械手運(yùn)行的精度，也提高了設(shè)備的智能化[7]。近年來，機(jī)器視覺機(jī)械手的研究發(fā)展也很快，比如中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所和東北大學(xué)人工智能與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的成員對(duì)“基于視覺定位的腦外科機(jī)器人”進(jìn)行了研究[8]。這項(xiàng)機(jī)器視覺控制機(jī)器人的研究就是基于機(jī)器視覺對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確定位的，主要用于醫(yī)學(xué)方面，借助機(jī)器人來進(jìn)行手術(shù)，不僅提高了病人的生存幾率，而且提高了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的自動(dòng)化發(fā)展程度。哈爾濱工業(yè)大學(xué)利用一種異構(gòu)雙目活動(dòng)視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自主足球機(jī)器人的導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有很好的穩(wěn)定性，還能精確地去抓取球，還可以實(shí)現(xiàn)全自主機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)[9]。機(jī)器視覺在機(jī)械手上的運(yùn)用最大的優(yōu)點(diǎn)就是提高了智能化。例如，朱加雷等人將雙目立體視覺技術(shù)應(yīng)用到了工業(yè)焊接機(jī)械手中，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)焊接工業(yè)機(jī)械手對(duì)空間的檢測和定位，拓寬了雙目立體視覺的應(yīng)用范圍[10]。韓錚等人利用微軟公司研發(fā)的Kinect對(duì)場景內(nèi)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，結(jié)合視覺信息利用算法對(duì)工作空間的機(jī)械臂末端進(jìn)行路徑規(guī)劃，完成了機(jī)械臂在非特定環(huán)境下自主定位抓取[11]。1.2.2國外研究現(xiàn)狀在國外機(jī)械手運(yùn)用非常成熟，不僅運(yùn)用于生產(chǎn)生活中，工業(yè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的功能不斷增多，機(jī)械結(jié)構(gòu)變成了模塊結(jié)構(gòu)、可以重新安裝的結(jié)構(gòu)發(fā)展。日本是世界機(jī)械手第一大國，它研究出的機(jī)械手?jǐn)?shù)量幾乎占全球機(jī)械手?jǐn)?shù)量的一半，美國研究的機(jī)械手?jǐn)?shù)量雖然沒有日本多，但是美國對(duì)機(jī)械手研究的核心技術(shù)比各個(gè)國家先進(jìn)，占有很大的優(yōu)勢[12]。機(jī)器視覺和機(jī)械手技術(shù)最早起始于國外，在最近十幾年的發(fā)展中，機(jī)器視覺和機(jī)械手相結(jié)合的機(jī)器人發(fā)展也取得了豐碩的研究成果。而基于機(jī)器視覺的機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用景，深受國外學(xué)者關(guān)注，特別是具有機(jī)器視覺功能的智能機(jī)器人。隨著工業(yè)機(jī)械手的發(fā)明和運(yùn)用，一些科學(xué)家不滿足機(jī)器視覺只控制機(jī)械手進(jìn)行操作，開始在機(jī)械手上添加了很多傳感器，攝像機(jī)就是其中之一。通過攝像頭人們開始慢慢研究通過機(jī)器視覺的機(jī)器人[13]。經(jīng)過MIT的科研人員不斷地研究和探索，終于在1965年由Roborts制造出了第一個(gè)配有視覺傳感器并能識(shí)別與定位積木的簡單機(jī)械手系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)只是把視覺傳感器當(dāng)作一般的外部傳感器來使用，人為的控制比較多。在1979年，Park和Hill等科學(xué)家開始提出視覺反饋控制機(jī)械手的概念，從這時(shí)開始，具有視覺的機(jī)器人真正成為了機(jī)械手研究領(lǐng)域的一個(gè)方向，開啟了讓機(jī)械手擁有視覺的智能控制時(shí)代。后來Hutchinson等科學(xué)工作者對(duì)視覺反饋控制做了大量的研究，并提出了一套較為完善的視覺伺服的概念，使得機(jī)器人的機(jī)械手能夠利用圖像信息自動(dòng)形成閉環(huán)進(jìn)行控制。從此以后機(jī)器視覺和機(jī)械手技術(shù)不斷成熟，功能不斷強(qiáng)大。比如：北美汽車研究院為美國福特公司設(shè)計(jì)的有關(guān)BIN-PICKING系統(tǒng)能夠使激光雷達(dá)在短短幾秒內(nèi)對(duì)整個(gè)工件箱進(jìn)行掃描，從而得到三維圖像信息，根據(jù)三維圖像和工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)模型，采用模式識(shí)別技術(shù)可以直接從圖像中找出機(jī)械手要抓取的三維工件所在的最佳坐標(biāo)點(diǎn)，最后根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果可以準(zhǔn)確的將工件放入傳送帶中去[14]。FANUC機(jī)器人公司開發(fā)的FANUCiRVision機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用一個(gè)二維機(jī)器人引導(dǎo)工具來完成工件不同部位的定位與缺陷檢查，該機(jī)器視覺控制的系統(tǒng)提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，也使設(shè)備更加智能化，大大降低了企業(yè)的支出成本。近期，德國西門子、庫卡機(jī)器人、ABB等正在進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)線方面的智能化改造升級(jí)，其中機(jī)器視覺控制工業(yè)機(jī)械手集成產(chǎn)品是重要組成部分[15]。1.3設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)通過用西門子PLC來控制三軸機(jī)械手的X伺服軸和Y伺服軸，來實(shí)現(xiàn)三軸機(jī)械手的精確定位。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：首先選擇機(jī)械手控制所需要的硬件設(shè)備及軟件設(shè)備。查看使用說明以及注意事項(xiàng)，找出各個(gè)控制位對(duì)應(yīng)的I/O口，分析自己所用到的I/O口以及輸入輸出通道。畫出整個(gè)控制的流程圖，寫出引腳的分配。對(duì)機(jī)械手的X和Y兩個(gè)伺服軸進(jìn)行控制，編寫相應(yīng)的機(jī)械手控制程序，不斷的進(jìn)行調(diào)試及修改，最后程序編譯沒有錯(cuò)誤時(shí)，將程序下載到試驗(yàn)臺(tái)里面。啟動(dòng)機(jī)械手點(diǎn)動(dòng)原點(diǎn)模式Z軸先到原點(diǎn)位置，當(dāng)Z軸移動(dòng)到原點(diǎn)時(shí)，X和Y才動(dòng)作回到原點(diǎn)位置。按下手動(dòng)模式控制機(jī)械手運(yùn)動(dòng)?？刂茩C(jī)械手Y伺服軸運(yùn)行，每運(yùn)行一次記下運(yùn)行的位移坐標(biāo)以及所運(yùn)行的實(shí)際距離測量四十次數(shù)據(jù)，并且通過MATLAB采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（6）將圖像處理的值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中得到機(jī)械手位置值，輸入到定位程序進(jìn)行定位。1.4論文結(jié)構(gòu)安排基于機(jī)器視覺的機(jī)械手定位設(shè)計(jì)--控制系統(tǒng)論文結(jié)構(gòu)總共分為六個(gè)章節(jié)，各個(gè)章節(jié)安排如下：第一章是緒論，主要介紹了我選課題設(shè)計(jì)的背景及意義，本次課題在國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，課題的主要內(nèi)容以及論文結(jié)構(gòu)的安排第二章總體方案設(shè)計(jì)，主要介紹了硬件的總體方案設(shè)計(jì)和軟件的總體方案設(shè)計(jì)。第三章是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，介紹了控制面板中所用的主要硬件型號(hào)和其他硬件，以及PLC的輸入/輸出端口。第四章是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要介紹了各個(gè)軟件程序流程圖。第五章是系統(tǒng)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理，主要介紹了本次設(shè)計(jì)所有軟件程序的運(yùn)行結(jié)果和數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。第六章總結(jié)和展望，主要介紹了對(duì)本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能，不足之處和展望。1.5設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)（1）機(jī)械手坐標(biāo)的建立：所有的編程邏輯時(shí)序和機(jī)械手動(dòng)作執(zhí)行都要有合適坐標(biāo)系。（2）伺服電機(jī)控制：機(jī)械手進(jìn)行定位操作主要是伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸和Y軸移動(dòng)的，伺服電機(jī)的特性剛好滿足精確定位要求。（3）系統(tǒng)控制時(shí)需配合：啟動(dòng)電源后檢測三個(gè)軸是否在原點(diǎn)位置，如果不在先進(jìn)行Z軸控制回到原點(diǎn)，在進(jìn)行X軸和Y軸回原點(diǎn)操作。手動(dòng)模式啟動(dòng)，手動(dòng)輸入X、Y機(jī)械手中的位置值，手動(dòng)控制X軸移動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置，再手動(dòng)控制Y軸移動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置。進(jìn)行下一次操作時(shí)，應(yīng)該先進(jìn)行Z軸控制回到原點(diǎn)，在進(jìn)行X軸和Y軸回原點(diǎn)操作，在進(jìn)行新的位置值輸入。在整個(gè)過程中要設(shè)置優(yōu)先級(jí)，這是系統(tǒng)建立的難點(diǎn)。（4）PLC控制器的編程：這是本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。（5）用MATLAB對(duì)機(jī)械手中的位置和實(shí)際移動(dòng)的距離做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：為了確定兩者關(guān)系，進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。這也是本次設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)。

2總體方案設(shè)計(jì)2.1硬件的總體方案設(shè)計(jì)2.1.1硬件總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要用西門子S7-200PLC控制器、定位模塊EM253、U型光電傳感器、三軸機(jī)械手、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)等部分組成。三軸機(jī)械手的主要控制器是PLC，主要選擇了西門子S7-200PLC。用計(jì)算機(jī)和PLC連接，編寫控制程序，進(jìn)行編譯，沒有錯(cuò)誤后下載到PLC中運(yùn)行。用編寫的位置程序和定位程序通過PLC控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制X軸和Y軸的伺服電機(jī)，將開關(guān)按鈕、光電傳感器、接近開關(guān)和程序中的信號(hào)等信號(hào)的輸入變成伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的電機(jī)釋放信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、各個(gè)軸運(yùn)動(dòng)信號(hào)、脈沖信號(hào)等；外接24V電源給伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器供電，通過給程序輸入脈沖數(shù)，調(diào)節(jié)X和Y軸上的輸入電壓來控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。給驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖控制電機(jī)，光電編碼器信號(hào)回饋到伺服驅(qū)動(dòng)器中，形成閉環(huán)控制。三軸機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)主要是通過PLC進(jìn)行控制的，X和Y伺服軸實(shí)現(xiàn)精確定位就是通過用PLC按照一定的時(shí)序控制，通過輸入實(shí)際坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的位置值，加上光電編碼器的配合來一起實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)PLC按下電源按鈕后，沒有特殊情況發(fā)生，啟動(dòng)X軸和Y軸的兩個(gè)伺服電機(jī)，來進(jìn)行復(fù)位、移動(dòng)相應(yīng)位置的操作過程。X軸和Y軸的兩個(gè)伺服電機(jī)通過它對(duì)應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，PLC輸出信號(hào)控制兩個(gè)電機(jī)的復(fù)位、啟動(dòng)和停止，方向信號(hào)決定了兩個(gè)伺服軸的運(yùn)動(dòng)方向，輸入的脈沖數(shù)的多少和脈沖信號(hào)的頻率決定了兩個(gè)伺服軸運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)的位移和運(yùn)行的速度。移動(dòng)的信號(hào)輸送給光電編碼器，然后光電編碼器將檢測到的信號(hào)輸入到伺服驅(qū)動(dòng)器，形成一個(gè)閉環(huán)控制。伺服驅(qū)動(dòng)器根據(jù)收到的信號(hào)改變輸出的位置值對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)伺服軸的精確定位。從一個(gè)軸的定位控制開始從簡單到復(fù)雜，最終實(shí)現(xiàn)多個(gè)軸定位控制相結(jié)合，方便對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2.2軟件的總體方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)主要用到的軟件是STEP7--Micro/WIN編程軟件和MATLAB數(shù)學(xué)軟件。MATLAB數(shù)學(xué)軟件可以對(duì)產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行分析，數(shù)值算法的計(jì)算，工程學(xué)繪圖，數(shù)字信號(hào)處理。本次設(shè)計(jì)中主要通過MATLAB對(duì)機(jī)械手程中的位置和實(shí)際移動(dòng)的距離進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出兩者之間的關(guān)系，保存網(wǎng)絡(luò)。編寫預(yù)測程序，將Y軸實(shí)際坐標(biāo)輸入到預(yù)測程序中得到對(duì)應(yīng)的機(jī)械手中的位置值。STEP7--Micro/WIN編程軟件是硬件系統(tǒng)西門子S7-200PLC的編程軟件，用該軟件對(duì)編寫三軸機(jī)械手X軸和Y軸伺服控制程序，這也是本次設(shè)計(jì)的核心。在進(jìn)行編程時(shí)用類似于匯編的語言，要時(shí)刻注意運(yùn)行的邏輯時(shí)序，從簡單到復(fù)雜。在編程時(shí)程序的時(shí)序標(biāo)志著該程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在進(jìn)行運(yùn)行時(shí)要明確哪一個(gè)軸先運(yùn)行，只有編寫完整的優(yōu)先級(jí)程序，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤而發(fā)生意外事故。為了能夠正確的編寫出控制程序，首先要畫出控制的模塊圖，控制的模塊圖也是非常重要的一部分。有了清晰正確的運(yùn)行過程，才能編寫正確的運(yùn)行程序，才能正確合理的實(shí)現(xiàn)所要實(shí)現(xiàn)的功能要求，設(shè)備正常運(yùn)行，保證了系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)軟件控制流程圖如圖2.2所示。按下電源按鈕進(jìn)行初始化，X軸和Y軸是否回到原點(diǎn)位置，如果是則系統(tǒng)進(jìn)行下一操作，如果不是則先將X軸和Y軸先回到原點(diǎn)位置，完成了初始化過程。初始化完成后輸入X軸和Y軸對(duì)應(yīng)的位置值，控制機(jī)械手移動(dòng)對(duì)應(yīng)位置，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的定位控制。當(dāng)進(jìn)行下一坐標(biāo)輸入時(shí)，先將機(jī)械手回到原點(diǎn)后再進(jìn)行新的坐標(biāo)位置值輸入，控制機(jī)械手定位。圖2.2系統(tǒng)軟件控制流程圖2.3章節(jié)小結(jié)這一章節(jié)主要是本次設(shè)計(jì)的總體方案設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)方案。硬件設(shè)計(jì)主要是用S7-200PLC控制機(jī)械手的X軸和Y軸的伺服電機(jī)。軟件設(shè)計(jì)主要是用STEP7--Micro/WIN編程軟件編寫機(jī)械手PLC手動(dòng)控制程序，用MATLAB數(shù)學(xué)軟件做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制面板設(shè)計(jì)3.1.1控制面板圖系統(tǒng)硬件的控制面板如圖3.1所示。圖3.1控制面板器件分布圖系統(tǒng)硬件控制面板所用的器件如表3-1所示：表3-1電氣面板器件表編號(hào)名稱編號(hào)名稱①SIEMENSS7-300PLC⑥繼電器組②SIEMENSS7-200PLC⑦電源控制組③伺服驅(qū)動(dòng)器⑧穩(wěn)壓電源④步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器⑨SM334⑤EM277⑩EM253本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要用的硬件器件有SIEMENSS7-200PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、繼電器組、電源控制組、穩(wěn)壓電源和EM253。3.1.2S7-200PLC介紹S7-200PLC控制器核心是部分主要是CPU，本次設(shè)計(jì)控制的機(jī)械手PLC的CPU型號(hào)是S7-200系列可編程控制器CPU224CN型號(hào)，如圖3.2所示[16]。圖3.2S7-200PLC在控制過程中實(shí)現(xiàn)的各種運(yùn)算度都在CPU中進(jìn)行。通過軟件編程控制時(shí)，我們用到的各種編程指令組成控制功能的程序都要下載到CPU中去執(zhí)行。S7-200CPU擁有很多不同功能I/O口點(diǎn)數(shù)，同時(shí)還有特殊功能模塊。如果在運(yùn)用過程中需要更多的I/O口，可以通過自身配有的總線擴(kuò)展電纜讓CPU和擴(kuò)展模塊相連以獲取更多的I/O口。S7-200CPU還可以外插卡，CPU上有一個(gè)可選卡插槽，可以插入三種不同的外插卡，如；外插儲(chǔ)存卡可以保存CPU中的系統(tǒng)快、程序和數(shù)據(jù)塊，以及配方和數(shù)據(jù)記錄。外插實(shí)時(shí)時(shí)鐘/電池卡時(shí)，可以給CPU提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，卡中包括了后備電池。當(dāng)外插電池卡時(shí)，可以給CPU提供數(shù)據(jù)保持的后備電源[17]。3.1.3EM253定位模塊介紹本次對(duì)X軸控制的EM253定位模塊如圖3.3所示。因?yàn)镾7-200PLC只有兩個(gè)脈沖串輸出端口，所以CPU要擴(kuò)充一個(gè)EM253定位的特殊功能模塊，主要用于控制機(jī)械手X伺服軸移動(dòng)。通過產(chǎn)生高速脈沖對(duì)X軸的速度和移動(dòng)的距離進(jìn)行開環(huán)控制，因?yàn)镋M253無法對(duì)位置進(jìn)行閉環(huán)控制。EM253脈沖口可以產(chǎn)生200KHz的脈沖信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)位置移動(dòng)、相對(duì)位置移動(dòng)和手動(dòng)的位置定位[18]。圖3.3EM253定位模塊EM253模塊主要用4個(gè)輸入和5個(gè)輸出對(duì)位置和速度進(jìn)行控制的，其主要功能如表3-2所示。表3-2EM253定位模塊輸入/輸出信號(hào)性質(zhì)功能描述STP輸入可讓模塊停止脈沖輸出，在位控向?qū)е锌蛇x擇你所需要的STP操作。RPS輸入機(jī)械參考點(diǎn)的輸入，建立絕對(duì)運(yùn)動(dòng)模式下的機(jī)械參考位置。ZP輸入零脈沖輸入，幫助建立機(jī)械參考坐標(biāo)，電機(jī)的每一磚產(chǎn)生一個(gè)ZP脈沖。LMT+/LMT-輸入運(yùn)動(dòng)位置的最大限度，位控向?qū)е锌梢越M態(tài)LMT+和LMT-輸入。+5V輸出5V電壓P0/P1輸出漏型輸出，控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和方向脈沖輸出。P0+/P0-輸出差分脈沖輸出，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。P1+/P1-輸出差分脈沖輸出，控制電機(jī)方向。續(xù)表3-2DIS輸出禁止或使能電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。CLR輸出清除伺服脈沖計(jì)數(shù)器。T1與+5V、P0、P1、DIS結(jié)合使用。EM253定位模塊在本次設(shè)計(jì)中的接線圖如圖3.4所示：圖3.4EM253定位模塊接線圖3.2伺服系統(tǒng)介紹3.2.1伺服驅(qū)動(dòng)器本此設(shè)計(jì)選用的伺服驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為IS620PS1R6I伺服驅(qū)動(dòng)器，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示。 圖3.5伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是伺服電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)PLC控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)器能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的U、V、W電壓信號(hào)傳送到伺服電機(jī)，控制伺服電機(jī)的速度和移動(dòng)的距離。光電編碼器將電機(jī)的信號(hào)反饋到伺服驅(qū)動(dòng)器上，形成了一個(gè)閉環(huán)回路，同時(shí)也達(dá)到了精確定位的目標(biāo)[19][20]。本次設(shè)主要采用伺服驅(qū)動(dòng)器的工作模式是位置控制模式，控制X軸和Y軸的伺服電機(jī)。3.2.2伺服電機(jī)本次設(shè)計(jì)所用的伺服電機(jī)是ISMH1-20B30CB的型號(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。圖3.6伺服電機(jī)伺服電機(jī)由轉(zhuǎn)子部和定子組成。轉(zhuǎn)子主要是永磁鐵，通常是鼠籠式結(jié)構(gòu)，這樣的形狀可以增加可調(diào)速度的范圍，無自轉(zhuǎn)也和這種結(jié)構(gòu)有關(guān)。定子主要是兩個(gè)互成90°角的繞組組成的。本設(shè)計(jì)采用的伺服電機(jī)是ISMH1-20B30CB的型號(hào)的交流電機(jī)。在定位控制中伺服電機(jī)不僅具有啟動(dòng)和停止時(shí)的伺服性，還具備了對(duì)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的可控性，方便了對(duì)伺服軸的控制，明顯提高了定位精度[21]。3.3三軸電動(dòng)機(jī)械手介紹本次設(shè)計(jì)所用的三軸電動(dòng)機(jī)械手如圖3.8所示。圖3.7三軸電動(dòng)機(jī)械手三軸機(jī)械手上主要器件構(gòu)成如表3-3所示：表3-3機(jī)械手器件表編號(hào)名稱編號(hào)名稱①夾指氣缸④Z方向步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)軸②X方向伺服電機(jī)移動(dòng)軸⑤電磁閥控制組③Y方向伺服電機(jī)移動(dòng)軸3.4U型對(duì)射傳感器介紹本次設(shè)計(jì)所用的U型對(duì)射傳感器是EE-SX672RP76U的型號(hào)，其主要結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。圖3.8U型對(duì)射傳感器U型對(duì)射光電傳感器是一種光電的限位開關(guān)，本次設(shè)計(jì)中主要用U型對(duì)射光電傳感器作為三個(gè)軸上的限位檢測和原點(diǎn)位置檢測。光電傳感器比普通的傳感器靈明度高，因此進(jìn)行位置定位時(shí)具有很高的可靠性和準(zhǔn)確性，各個(gè)軸運(yùn)行時(shí)提高了設(shè)備安全性，還有一點(diǎn)是U型的光電傳感器適合于快速運(yùn)動(dòng)的物體檢測[22]。3.5系統(tǒng)的I/O分配表可編程控制器PLC是所有輸入信號(hào)的接收端，也是輸出信號(hào)的發(fā)送端，因此所有的信號(hào)都要通過PLC操作。本次設(shè)計(jì)用的PLC控制器是SIEMENSS7-200CN,集成了兩個(gè)8位輸入和兩個(gè)8位的輸出。I/O分配如表3-4和表3-5所示。表3-4PLC輸入信號(hào)表輸入引腳+接入信號(hào)輸入功能I0.0Y軸原點(diǎn)Y軸原點(diǎn)I0.1SQ1Y軸前限位開關(guān)I0.2SQ2Y軸后限位開關(guān)I0.3Z軸原點(diǎn)Z軸原點(diǎn)I0.4SQ2Z軸下限位開關(guān)I0.5SQ3Z軸上限位開關(guān)I1.4Y軸手動(dòng)_前進(jìn)Y軸手動(dòng)_前進(jìn)I1.5Y軸手動(dòng)_前進(jìn)Y軸手動(dòng)_前進(jìn)表3-5PLC輸出端口表輸出引腳輸出信號(hào)控制功能Q0.0Y軸+使Y軸正方向移動(dòng)Q0.1Z軸+使Z軸正方向移動(dòng)Q0.2Y軸-使Y軸負(fù)方向移動(dòng)Q0.3Z軸-使Z軸負(fù)方向移動(dòng)本次課題主要用S7-200PLC來控制三軸機(jī)械手的X、Y伺服電機(jī)。當(dāng)啟動(dòng)設(shè)備時(shí)，通過對(duì)PLC進(jìn)行編程、編譯、調(diào)試、下載通過手動(dòng)模式來完成三軸復(fù)位、以及X軸的左移、右移，Y軸的前進(jìn)、后退操作。3.6本章小結(jié)這一章節(jié)主要對(duì)本次設(shè)計(jì)的控制面板以及所選用的器件進(jìn)行了介紹，包括：西門子S7-200PLC可編程控制器、特殊定位模塊EM25、伺服驅(qū)動(dòng)器等器件。以及介紹了本次設(shè)計(jì)中用到的其他設(shè)備模塊，最后介紹快本次設(shè)計(jì)PLC的各個(gè)端口的I/O分配，方便了軟件的編程。

4軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖本次設(shè)計(jì)安裝的是V4.0STEP7MicroWINSP9版本的S7-200PLC編程軟件。STEP7--Micro/WIN編程軟件通過對(duì)程序的開發(fā)、編輯和監(jiān)控，讓用戶更方便的控制。為了提高開發(fā)言承旭的速度和效率，該軟件還為用戶提供了三種程序編輯器。為了用戶能方便實(shí)用軟件，安裝完成后可以對(duì)該軟件界面進(jìn)行漢化操作[23]。機(jī)械手的X伺服軸是由西門子S7-200系列PLC的CPU擴(kuò)展的特殊功能模塊EM253定位模塊控制，Y伺服軸是由S7-200脈沖串輸出端對(duì)速度和位置進(jìn)行控制的。本次設(shè)計(jì)的PLC程序編程分為兩個(gè)部分：第一部分是方便查找X軸和Y軸機(jī)械手位置的位置程序，第二部分是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練輸出機(jī)械手位置值后的定位程序。4.1.1位置程序流程圖本次軟件設(shè)計(jì)編寫的PLC位置程序流程圖如圖4.1所示，主要實(shí)現(xiàn)了：接通電源--輸入各個(gè)軸的基本參數(shù)--檢測兩個(gè)伺服軸是否在原點(diǎn)位置--手動(dòng)控制X軸和Y軸移動(dòng)和停止操作。圖4.1位置程序流程圖上述位置流程圖的程序包括以下幾個(gè)部分：（1）主程序主要是對(duì)三軸控制、三軸回原點(diǎn)、三軸手動(dòng)三個(gè)操作子程序（2)三軸控制子程序是自動(dòng)輸輸運(yùn)動(dòng)控制的X軸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡，使能、初始化EM253定位模塊，Y軸參數(shù)裝入，以及Y軸各個(gè)限位設(shè)定。（3）三軸回原點(diǎn)子程序是首先啟動(dòng)原點(diǎn)模式，Z先回到原點(diǎn)位置后，X軸和Y軸再回到原點(diǎn)位置。（4）三軸手動(dòng)子程序是啟動(dòng)手動(dòng)模式，手動(dòng)控制X軸以一定的速度左右移動(dòng)，以一定速度手動(dòng)控制機(jī)械手左右移動(dòng)和停止。Y手動(dòng)操作，按下接到PLC的兩個(gè)開關(guān)按鈕其中一個(gè)，讓Y軸按照指定的方向，以指定的速度，前后移動(dòng)，由于Y是脈沖串輸出端Q0.0控制的，所以需要設(shè)置Y軸手動(dòng)停止，松開開關(guān)按鈕，Y軸停止移動(dòng)。4.1.2MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序流程圖本次設(shè)計(jì)安裝的是R2016a_win64版本的MATLAB。MATLAB是一種數(shù)學(xué)軟件，可以提供多種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本次實(shí)驗(yàn)所用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是一種單隱層的3層前饋網(wǎng)絡(luò)。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要用高斯基函數(shù)，在一定的范圍內(nèi)他的輸入是不為零的，因此它是局部逼近的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本次設(shè)計(jì)主要采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原因是該網(wǎng)絡(luò)是一種前向3層的網(wǎng)絡(luò)，輸入和輸出值得關(guān)系都是非線性的，而隱層和輸出是線性的關(guān)系[24][25]，本次實(shí)驗(yàn)輸入值機(jī)械手實(shí)際坐標(biāo)和輸出值機(jī)械手位置坐標(biāo)是非線性的，因此，選用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)樣本進(jìn)行了學(xué)習(xí)訓(xùn)練，保存訓(xùn)練誤差較小的網(wǎng)絡(luò)。調(diào)用該網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測出了機(jī)械手位置坐標(biāo)。提高控制系統(tǒng)的控制進(jìn)精度和自適應(yīng)性。做機(jī)械手位置值和機(jī)械手移動(dòng)的實(shí)際距離的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。首先讀取了所有的輸入輸出樣本，將樣本進(jìn)行歸一化操作，設(shè)定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為單輸入單輸出，共有兩個(gè)隱層，設(shè)置第一個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為20，第二個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)為四十。設(shè)定訓(xùn)練函數(shù)為S型函數(shù)，訓(xùn)練精度為0.00001，訓(xùn)練次數(shù)為80000次，訓(xùn)練頻率為0.01。訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)，保存誤差較小的網(wǎng)絡(luò)。用MATLAB軟件做RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的程序流程圖如圖4.2所示。圖4.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程圖當(dāng)訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)并保存后，要輸入其他值進(jìn)行預(yù)測，輸出預(yù)測結(jié)果。預(yù)測的程序流程圖如圖4.3所示。圖4.3預(yù)測程序流程圖4.1.3定位程序流程圖本次軟件設(shè)計(jì)編寫的PLC定位程序流程圖如圖4.4所示，總體上實(shí)現(xiàn)了：接通電源--輸入各個(gè)軸的基本參數(shù)--檢測兩個(gè)伺服軸是否在各軸原點(diǎn)--輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的位置值--手動(dòng)控制伺服軸移動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置--回到各伺服軸原點(diǎn)--輸入新的位置值的循環(huán)操作。在進(jìn)行每一次坐標(biāo)輸入控制時(shí)保證安全是操作的前提，應(yīng)此當(dāng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)該及時(shí)按下停止、急停、切斷電源中的任意一個(gè)按鈕來保證機(jī)器不被損壞。在進(jìn)行PLC程序編程時(shí)要按照機(jī)械手實(shí)際運(yùn)行的邏輯時(shí)序進(jìn)行編程，依照流程圖進(jìn)行每一步的編程，防止編程時(shí)時(shí)序錯(cuò)誤而影響機(jī)器的平穩(wěn)運(yùn)行，甚至發(fā)生安全事故。在進(jìn)行每一組新的坐標(biāo)脈沖輸入時(shí)，要一步一步進(jìn)行操作，X軸先運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的位置時(shí)，Y軸在開始運(yùn)行，直到兩軸都運(yùn)行到對(duì)應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位操作。圖4.4系軟件設(shè)計(jì)控制流程圖上述流程圖的程序包括以下幾個(gè)部分：（1）主程序主要是對(duì)三軸控制、三軸回原點(diǎn)、三軸手動(dòng)三個(gè)操作子程序（2）三軸控制子程序是自動(dòng)輸入運(yùn)動(dòng)控制的軸參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡，使能、初始化EM253定位模塊，Y軸參數(shù)裝入，以及Y軸各個(gè)限位設(shè)定。（3）三軸回原點(diǎn)子程序是首先啟動(dòng)原點(diǎn)模式，Z先回到原點(diǎn)位置后，X軸和Y軸再回到原點(diǎn)位置。（4）定位子程序是編寫機(jī)械手定位子程序，將預(yù)測結(jié)果輸入到定位程序中，用手動(dòng)操作模式手動(dòng)控制X軸和Y軸以一定的速度值，運(yùn)動(dòng)到預(yù)測結(jié)果對(duì)應(yīng)的機(jī)械手位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手定位操作。(5）將機(jī)械手各軸回到原點(diǎn)后在進(jìn)行新的位置值輸入。4.2本章小結(jié)這一章節(jié)主要寫了軟件的設(shè)計(jì)包括了用STEP7--Micro/WIN編程軟件編寫機(jī)械手位置程序和定位程序的流程圖設(shè)計(jì)，并對(duì)程序作了一些說明。完成了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序和預(yù)測結(jié)果輸入程序的流程圖設(shè)計(jì)。通過用上述流程圖程序控制機(jī)械手完成了定位操作。

5系統(tǒng)的運(yùn)行及數(shù)據(jù)處理5.1位置程序運(yùn)行位置控制程序的符號(hào)表如表5-1所示。表5-1位置程序符號(hào)表符號(hào)地址符號(hào)地址手動(dòng)模式M0.0X軸位置VD12原點(diǎn)模式M0.1Y軸位置VD16原點(diǎn)模式復(fù)位M0.2Z軸位置VD20X軸手動(dòng)左移M0.3Y軸前限位I0.1X軸手動(dòng)右移M0.4Y軸后限位I0.2Y軸手動(dòng)前進(jìn)I1.4Z軸原點(diǎn)I0.3Y軸手動(dòng)后退I1.5當(dāng)程序編寫完成后我們對(duì)程序進(jìn)行編譯，編譯程序：在工具欄中找到編譯按鈕，選擇全部編譯按鈕對(duì)程序進(jìn)行編譯操作，以下是位置程序運(yùn)行結(jié)果如圖5.1所示。圖5.1運(yùn)行結(jié)果由于機(jī)器原因，通過上述的PLC程序，用手動(dòng)操作模式控制機(jī)械手Y軸移動(dòng)，記錄每次移動(dòng)到停止時(shí)Y軸所移動(dòng)的機(jī)械手程序中的位移，對(duì)應(yīng)用尺子人工測量出機(jī)械手Y軸實(shí)際移動(dòng)的位移，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)操作，記錄四十組數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的樣本輸入和輸出，記錄數(shù)據(jù)表格如表5-2所示：表5-2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本數(shù)據(jù)機(jī)械手位置實(shí)際距離機(jī)械手位置實(shí)際距離機(jī)械手位置實(shí)際距離00-6290-49+3243+25-1318-10-6520-50+3504+27-2046-16-6802-53+3833+29-2743-19-7107-55+4149+31續(xù)表5-2機(jī)械手位置實(shí)際距離機(jī)械手位置實(shí)際距離機(jī)械手位置實(shí)際距離-2984-23-7409-57+4401+34-3201-25-7747-59+4733+36-3566-28+481+4+4958+37-4122-32+821+9+5199+39-4390-34+1382+11+5468+42-4748-37+1628+12+5786+44-5113-40+2032+15+6030+46-5362-41+2345+18+6603+50-5730-44+2575+19-6010-46+2935+22（上表中“+”、“-”只表示方向，“+”為前進(jìn)方向，“-”為后退方向）5.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和預(yù)測結(jié)果顯示運(yùn)行RBF程序做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，得到一個(gè)單輸入、單輸出的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，并且保存該網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)如圖5.2所示。圖5.2訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)通過用MATLAB進(jìn)行圖像處理和做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將圖片坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成了實(shí)際坐標(biāo)，記錄實(shí)際坐標(biāo)。運(yùn)行RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序做神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，然后將實(shí)際的Y軸坐標(biāo)數(shù)據(jù)一次一次輸入到預(yù)測程序，運(yùn)行預(yù)測程序得到對(duì)應(yīng)的機(jī)械手位移，記錄對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。運(yùn)行結(jié)果如圖5.3所示：圖5.3預(yù)測結(jié)果5.3定位程序運(yùn)行定位程序中的符號(hào)表如表5-3所示。表5-3定位程序符號(hào)表符號(hào)地址符號(hào)地址手動(dòng)模式M0.1Y軸位置VD16原點(diǎn)模式M0.2Z軸位置VD20遠(yuǎn)點(diǎn)模式復(fù)位M0.3X臨時(shí)位置VD48X軸手動(dòng)左移M0.4Y臨時(shí)位置VD52X軸手動(dòng)右移M0.5Y軸前限位I0.1Y軸手動(dòng)前進(jìn)I1.4Y軸后限位IO.2Y軸手動(dòng)后退I1.5Z軸原點(diǎn)I0.3X軸位置VD12當(dāng)程序編寫完成后，將預(yù)測結(jié)果手動(dòng)輸入到定位程序中，對(duì)定位程序進(jìn)行編譯，編譯程序：在工具欄中找到編譯按鈕，選擇全部編譯按鈕對(duì)程序進(jìn)行編譯操作。將程序下載到PLC中，監(jiān)控運(yùn)行程序，完成對(duì)機(jī)械手Y軸的精確定位，測量出實(shí)際移動(dòng)的距離，并且記錄數(shù)據(jù)。定位程序運(yùn)行結(jié)果如圖5.5所示。圖5.5運(yùn)行結(jié)果5.4數(shù)據(jù)記錄和誤差分析記錄圖像處理實(shí)際Y軸坐標(biāo)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的機(jī)械手Y軸位置值、機(jī)械手實(shí)際移動(dòng)位移數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)表格如表5-4所示。表5-4數(shù)據(jù)記錄圖像處理實(shí)際Y軸坐標(biāo)(mm)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的機(jī)械手Y軸位置值機(jī)械手實(shí)際移動(dòng)位移(mm)相對(duì)誤差（%）-16.7-2089-16.51.2+13.84+1921+13.52.5-26.67-3473-271.2+23.5+3139+232.1-16.32-2062-162.0+29+3879+28.51.7+24.1+3186+23.52.5+6.1+770+5.59.8-10.82-1441-111.7-21.28-2936-21.51.0+30.53+4077+311.7-15.91-2042-15.52.5-14.78-1996-14.51.9+36.66+4863+35.53.2-33.32-4338-342.0（上表中“+”、“-”只表示方向，“+”為前進(jìn)方向，“-”為后退方向）數(shù)據(jù)結(jié)果分析：本次設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果的最大相對(duì)誤差9.8%，取的試驗(yàn)點(diǎn)太靠近邊緣了。最低小相對(duì)誤差為1%。產(chǎn)生誤差原因主要是以下幾種：（1）實(shí)驗(yàn)儀器控制本身存在誤差，如：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差。（2）圖像處理時(shí)樣本坐標(biāo)采集產(chǎn)生的誤差以及樣本點(diǎn)分布不均勻產(chǎn)生的誤差導(dǎo)致輸入的Y軸坐標(biāo)不準(zhǔn)確。（3）訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本中機(jī)械手的實(shí)際移動(dòng)距離是人工測量的所以會(huì)產(chǎn)生誤差，樣本取的不均勻、樣本數(shù)量太少了產(chǎn)生訓(xùn)練誤差。（4）機(jī)械手實(shí)際移動(dòng)的位移測量是人工測量的會(huì)產(chǎn)生誤差。以下是減小誤差的方法：采集坐標(biāo)時(shí)采集點(diǎn)均勻分布，測量坐標(biāo)時(shí)多次測量取平均值坐標(biāo)。訓(xùn)練坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時(shí)輸入的樣本越多，訓(xùn)練精度越準(zhǔn)確。機(jī)械手實(shí)際坐標(biāo)測量時(shí)的結(jié)果進(jìn)行多次測量最后取平均值。機(jī)械手位移訓(xùn)練樣本的樣本點(diǎn)也應(yīng)該分布均勻，用均勻大量的訓(xùn)練的樣本訓(xùn)練，訓(xùn)練的誤差精度就會(huì)越準(zhǔn)確。測量機(jī)械手移動(dòng)距離時(shí)的測量結(jié)果進(jìn)行多次測量最后取平均值。5.4本章小結(jié)這一章節(jié)主要是位置程序的運(yùn)行、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、預(yù)測程序運(yùn)行并記錄運(yùn)行結(jié)果，對(duì)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，最后對(duì)誤差進(jìn)行了分析以及提出了減小誤差的方法。以及將預(yù)測結(jié)果輸入到定位程序，定位程序的運(yùn)行，完成了本次設(shè)計(jì)機(jī)械手的定位。

6總結(jié)與展望本次設(shè)計(jì)完成用機(jī)器視覺來控制機(jī)械手精準(zhǔn)定位的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在控制方面實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制機(jī)械手Y伺服軸以一定的速度移動(dòng)和停止，并且能顯示機(jī)械手的位置值，這樣方便記錄神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)樣本值。用MATLAB軟件做出了機(jī)械手Y軸位置值和Y軸實(shí)際移動(dòng)距離的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，編寫了預(yù)測程序，將圖像處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的Y軸實(shí)際坐標(biāo)值輸入到預(yù)測程序中輸出了對(duì)應(yīng)的機(jī)械手Y軸位置值。用計(jì)算機(jī)將位置值輸入到定位程序中，運(yùn)行定位程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手Y軸的精準(zhǔn)定位。最后分析了相對(duì)誤差精度，機(jī)械手移動(dòng)的定位精度在0.5mm左右。X伺服軸的定位操作也和Y軸相同，由于機(jī)器原因本次論文中沒有做X軸的定位操作。本次設(shè)計(jì)的不足是沒有采集均勻大量的樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，減小訓(xùn)練誤差。對(duì)機(jī)械手實(shí)際位移沒有進(jìn)行多次測量減小誤差。沒有對(duì)機(jī)械手X軸做定位操作。沒有實(shí)現(xiàn)機(jī)械手通過機(jī)器視覺自動(dòng)完成定位操作。在本次設(shè)計(jì)過程中我學(xué)了S7-200PLC的部分程序編程和MATLAB做RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及預(yù)測程序編程，也學(xué)會(huì)了獨(dú)立去學(xué)習(xí)新知識(shí)，提高了自己的能力，為今后工作打下了基礎(chǔ)。機(jī)械手是以后工業(yè)和生活中必不可缺的設(shè)備，在智能化和信息化發(fā)展過程中，機(jī)器人會(huì)普遍運(yùn)用到生活中，機(jī)械手是機(jī)器人的基礎(chǔ)，所以對(duì)本次設(shè)計(jì)的展望如下：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)用計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手自動(dòng)完成等位，用組態(tài)進(jìn)行MATLAB和PLC的連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)定位。（2）運(yùn)行機(jī)械手做大量的樣本輸入，實(shí)現(xiàn)大范圍的精確定位操作，降低定位誤差，提高控制的精度。（3）編寫其它模塊程序和機(jī)械手配合完實(shí)現(xiàn)不同功能，比如控制夾指氣缸對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行定位夾取和釋放操作。（4）設(shè)計(jì)一個(gè)方便測量實(shí)際距離的裝置，減小測量數(shù)據(jù)的誤差，提高機(jī)械手的控制精度，比如用紅外線進(jìn)行距離測量。（5）控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三軸空間定位，這樣更加提高了機(jī)械手的運(yùn)用范圍。

致謝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室全體老師的督促下完成了，感謝老師的悉心指導(dǎo)和幫助。老師豐富的教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)讓我在設(shè)計(jì)過程中學(xué)到了很多。感謝老師耐心的教導(dǎo)、認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度督促我們完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。老師工作的嚴(yán)謹(jǐn)是我們畢業(yè)之后工作時(shí)學(xué)習(xí)的榜樣。也感謝學(xué)校為我們提供各種實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)用的工具，方便了我們完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。在這里再次感謝實(shí)驗(yàn)室的所有指導(dǎo)老師和每一位同學(xué)的幫助！感謝余玲老師對(duì)我論文的指導(dǎo)！感謝和我一起合作的朱世均同學(xué)的幫助！在實(shí)驗(yàn)室一起度過了一學(xué)期緊張忙碌的設(shè)計(jì)，我永遠(yuǎn)不會(huì)忘記。此外，我要感謝我的父母對(duì)我的學(xué)業(yè)的支持和鼓勵(lì)！最后，還要衷心的感謝所有評(píng)閱論文以及參加答辯工作的各位老師和同學(xué)！非常感謝！

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