搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計說明書樣本

湘潭大學(xué)畢業(yè)設(shè)計闡明書題目：搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué)號：070523姓名：陳輝煌指引教師：毛美姣完畢日期：6月2日

湘潭大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書論文（設(shè)計）題目：搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)號：070523姓名：陳輝煌專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化指引教師：毛美姣系主任：周善炳一、重要內(nèi)容及基本規(guī)定在本次搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計中，要完畢任務(wù)有如下幾種方面：1、用機(jī)器人運動學(xué)求得搬運機(jī)械手正解；2、由運動學(xué)方程解得搬運機(jī)械手各關(guān)節(jié)變量，并求出軌跡方程；3、用VB建立人機(jī)交互界面，并依照軌跡方程畫出軌跡曲線；4、實現(xiàn)VB界面與PLC通信，以及對搬運機(jī)械手控制；5、寫一份8000字以上畢業(yè)設(shè)計闡明書；6、一篇不少于3000單詞英文原文及中文翻譯。二、重點研究問題1、搬運機(jī)械手運動學(xué)方程正解求解；2、建立VB界面，實現(xiàn)計算以及畫出軌跡曲線；3、實現(xiàn)搬運機(jī)械手自動控制。三、進(jìn)度安排序號各階段完畢內(nèi)容完畢時間1查閱資料07.3.15~07.3.312總體反方案設(shè)計07.4.1~07.4.73搬運機(jī)械手運動學(xué)位姿正解07.4.8~07.4.244學(xué)習(xí)VisualBasic軟件，做交互界面04.4.25~07.4.305編寫程序，實現(xiàn)機(jī)械手運動控制07.5.1~.7.5.206寫設(shè)計闡明書07.5.21~07.5.317準(zhǔn)備答辯6月初四、應(yīng)收集資料及重要參照文獻(xiàn)1、劉極峰，易際明.機(jī)器人技術(shù)基本[M].北京：高等教誨出版社，.2、張鐵.機(jī)器人學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，.3、從爽.實用運動控制技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，.4、鐘肇新，范建東.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，5、俞建家.VisualBasic6.0程序設(shè)計與應(yīng)用教程[M].福建：廈門大學(xué)出版社，6、呂偉臣.VisualBasic6.0初級編程教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，.7、大熊.機(jī)器人控制[M].北京：科學(xué)出版社，.8、張海根.機(jī)電傳動控制[M].北京：高等教誨出版社，.9、丹尼斯.機(jī)器人設(shè)計與控制[M].北京：科學(xué)出版社，.10、劉極峰.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造[M].北京：高等教誨出版社，.湘潭大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）評閱表學(xué)號070523姓名陳輝煌專業(yè)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)設(shè)計題目：搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計評價項目評價內(nèi)容選題1.與否符合培養(yǎng)目的，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)籌劃基本規(guī)定，達(dá)到綜合訓(xùn)練目；2.難度、份量與否恰當(dāng)；3.與否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。能力1.與否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料能力；2.與否有綜合運用知識能力；3.與否具備研究方案設(shè)計能力、研究辦法和手段運用能力；4.與否具備一定外文與計算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科與否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計）質(zhì)量1.立論與否對的，闡述與否充分，構(gòu)造與否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗與否對的，設(shè)計、計算、分析解決與否科學(xué)；技術(shù)用語與否精確，符號與否統(tǒng)一，圖表圖紙與否完備、整潔、對的，引文與否規(guī)范；2.文字與否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。綜合評價評閱人：年月日湘潭大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見學(xué)號：070523姓名：陳輝煌專業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化畢業(yè)論文（設(shè)計闡明書）65頁圖表0張設(shè)計題目：搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容提綱：本文是關(guān)于搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計，整個設(shè)計過程中用到了機(jī)器人運動學(xué)、可編程控制器（PLC）和VisualBasic（VB）程序設(shè)計等方面知識，通過學(xué)習(xí)和綜合運用，能縮短整個設(shè)計工計算量、提高計算精確率，使系統(tǒng)控制操控直觀化、簡樸化。本次課程設(shè)計一方面通過描述機(jī)器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢闡述了搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計意義。另一方面，運用機(jī)器人運動學(xué)求運動學(xué)方程正解，運用VisualBasic建立人機(jī)交互界面，該界面運用機(jī)械手運動學(xué)方程計算出關(guān)節(jié)變量，按三次多項式插值算法求得搬運機(jī)械手軌跡方程以及依照方程畫出相應(yīng)軌跡曲線。最后編寫程序，用PLC控制搬運機(jī)械手動作，實現(xiàn)機(jī)械手自動控制。本次設(shè)計，講述了機(jī)械手動作控制過程，其中VisualBasic界面應(yīng)用，使整個過程變得簡樸而精確，為機(jī)械手研究提供了很大以便。指引教師評語指引教師：年月日答辯簡要狀況及評語答辯小組組長：年月日答辯委員會意見答辯委員會主任：年月日目錄摘要 1第1章引言 21.1課題研究趨勢與意義 21.2串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人發(fā)展和現(xiàn)狀 31.3本文研究內(nèi)容和重要工作 3第2章PLC控制系統(tǒng)及實現(xiàn) 52.1機(jī)械手及控制器重要參數(shù) 52.2簡述機(jī)械手動作實現(xiàn) 62.3控制軟件設(shè)計 62.3.1PLC選取 62.3.2光電編碼器 62.3.3接口電路 72.3.4控制原理及程序 73.1引言 93.2機(jī)械手運動學(xué)數(shù)學(xué)基本 93.2.1機(jī)器人位置與姿態(tài)描述[12] 93.3空間齊次坐標(biāo)變換 113.3.1坐標(biāo)變換 113.3.2齊次坐標(biāo)變換 123.3點在空間直角坐標(biāo)系中繞過原點任意軸普通旋轉(zhuǎn)變換 133.4Denavt-Hartenberg(D-H)表達(dá)法 153.4.1坐標(biāo)系建立 153.4.2幾何參數(shù)定義 163.4.3建立坐標(biāo)系和坐標(biāo)系齊次變換矩陣 16第4章機(jī)器人運動學(xué)方程求解 184.1機(jī)器人正向運動學(xué) 184.2機(jī)器人逆向運動學(xué) 20第5章機(jī)械手軌跡規(guī)劃 225.1機(jī)器人軌跡概念 225.2軌跡生成方式 225.2.1軌跡規(guī)劃涉及重要問題 225.3插補方式分類 235.4機(jī)器人軌跡插值計算 235.4.1三次多項式插值 245.4.2機(jī)械手軌跡規(guī)劃。 25第6章系統(tǒng)交流界面設(shè)計 276.1VisualBasic6.0簡介 276.2VB設(shè)計任務(wù) 286.3窗體設(shè)計 286.4窗體運營 29參照文獻(xiàn) 22道謝 33附錄=1\*ROMANI程序清單 34附錄=1\*ROMANI程序清單 50附錄=3\*ROMANIII外文原文 55搬運機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計摘要:本文運用運動學(xué)研究辦法建立了串聯(lián)機(jī)械手運動模型，并用VisualBasic6.0通過逆運動學(xué)對其運動軌跡規(guī)劃做分析。一方面，本文建立了參照坐標(biāo)系和運動坐標(biāo)系，給出串聯(lián)機(jī)械手在這兩個坐標(biāo)系中描述辦法，并且定義了串聯(lián)機(jī)械手機(jī)構(gòu)參數(shù)，以及有關(guān)數(shù)學(xué)知識簡介。在此基本上，建立起了串聯(lián)機(jī)械手正解模型。機(jī)械手動作過程由三菱公司生產(chǎn)PLC實行控制。另一方面，通過運用串聯(lián)機(jī)械手逆解模型結(jié)論，對機(jī)械手軌跡進(jìn)行分析。此過程中，應(yīng)用了功能強大VisualBasic6.0，進(jìn)行自動運算，并運用其可視化功能做出簡樸人機(jī)交流界面，計算并顯示出機(jī)械手軌跡曲線，使得機(jī)械手軌跡規(guī)劃更為直觀、易懂。本文研究工作對串聯(lián)關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計具備一定指引意義。運用本文研究辦法，可以有效提高機(jī)械手設(shè)計質(zhì)量和縮短設(shè)計周期。核心詞：機(jī)械手，正解模型，VisualBasic6.0，PLC，軌跡規(guī)劃DesignofHandingManipulatorControlSystemAbstract:ThispaperstudiestheuseofkinematicmethodofTandemmanipulatormotionmodel，usingVisualBasic6.0inversekinematicsthroughitstrajectoryplanningtodotheanalysis.First，thispapersetupareferencecoordinatesystemandcoordinatesmovement，giventhedescriptionoftandemmanipulatorinthistwocoordinates，andthedefinitionoftheseriesmanipulatorbodyparametersandtheassociatedmathematicalknowledgepresentation.Onthisbasis，establishedaseriesofpositivemanipulatormodel.MechanicalmovementofthehandsfromtheprocessofproductionofMitsubishiCorporationPLCcontrol.Secondly，throughtheuseofserialmanipulatorinversekinematicsmodelconcludesthatthemanipulatortrajectoryanalysis.Duringthisprocess，theapplicationofthepowerfulVisualBasic6.0，automaticoperation，andtheuseofvisualizationfunctionsmadesimpleman-machineinterfaceexchange，calculatedandshownmanipulatorcurves，makemanipulatortrajectoryplanningmoreintuitive，understandable.Theresearchofthispaperisveryusefulforthechain-structuredrobot.itwillimproverobotdesignqualityandshortenthedesigntime.Keywords:Manipulator，positivesolutionmodel，VisualBasic6.0，PLC，trajectoryplanning第1章引言1.1工業(yè)機(jī)器人發(fā)展和現(xiàn)狀機(jī)器人是一種被設(shè)計用來移動物體、部件、工具或者特定設(shè)備，可以重復(fù)編程、具備各種功能操作器.它通過一系列可變程控動作來完畢各種各樣任務(wù)。普通工業(yè)機(jī)器人大體分為如下三類:1)串聯(lián)構(gòu)造機(jī)器人2)框架構(gòu)造機(jī)器人3)并行機(jī)構(gòu)機(jī)器人從構(gòu)造上看，并行構(gòu)造機(jī)器人運動平臺通過互有關(guān)聯(lián)各種運動鏈與下平臺相連，這使并行構(gòu)造機(jī)器人具備剛性高、承載能力大和精度好等特點。它重要缺陷是控制復(fù)雜，使得它很難應(yīng)用高階控制辦法，從而妨礙了這種機(jī)器人應(yīng)用?？蚣軜?gòu)造機(jī)器人工作空間比較小，操作靈活性受到限制。串聯(lián)構(gòu)造機(jī)器人具備較大工作空間和較高運動機(jī)靈度，慣用構(gòu)造是串聯(lián)關(guān)節(jié)形式，它采用串聯(lián)鏈?zhǔn)綐?gòu)造和全關(guān)節(jié)驅(qū)動，容易建立運動學(xué)和動力學(xué)模型，可以采用某些先進(jìn)、實時控制算法，其動作靈活，避障性好。由于串聯(lián)構(gòu)造機(jī)器人采用懸臂梁式手臂構(gòu)造和關(guān)聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)，使得該類機(jī)器人存在著某些固有缺陷如操作精度性欠佳，難以完全平衡，且運動存在耦合等問題，但總體數(shù)量當(dāng)前應(yīng)用越來越多。在本文中研究機(jī)器人是串聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人一類一一串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人，如圖1.1所示。圖1-1垂直關(guān)節(jié)機(jī)器人示意圖此類機(jī)器人基本構(gòu)造是串聯(lián)六自由度開鏈?zhǔn)剑P(guān)節(jié)互相垂直或平行，每個關(guān)節(jié)均有單獨驅(qū)動機(jī)構(gòu)。前三個關(guān)節(jié)(涉及基座、腰部和臂部)具備三個轉(zhuǎn)動自由度，擬定手部在空間位置，這三個關(guān)節(jié)和聯(lián)接她們桿件所構(gòu)成機(jī)構(gòu)稱為機(jī)械手位置機(jī)構(gòu);后三個關(guān)節(jié)(腕部)重要功能是擬定手部在空間姿勢，這三個關(guān)節(jié)和聯(lián)接她們桿件所構(gòu)成機(jī)構(gòu)稱作姿勢機(jī)構(gòu)。位置機(jī)構(gòu)可基本擬定機(jī)械手工作空間范疇，前三個關(guān)節(jié)運動稱作機(jī)械手主運動;后三個關(guān)節(jié)運動稱作姿態(tài)運動，姿態(tài)機(jī)構(gòu)重要擬定機(jī)械手工作姿態(tài)。所關(guān)于節(jié)驅(qū)動器共同參加控制，來完畢機(jī)械手六自由度運動，以實現(xiàn)終端執(zhí)行器按一定姿態(tài)到達(dá)工作空間每個工作點，本文重要討論除手指關(guān)節(jié)外其他五個自由度。串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人普通可用一種開環(huán)關(guān)節(jié)鏈來建模，此鏈由數(shù)個剛體(桿件)用驅(qū)動器驅(qū)動移動或轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，開鏈一端固接在基座上，另一端是自由，安裝著工具(終端執(zhí)行器)，用以操縱物體，或完畢裝配作業(yè)。此類機(jī)械手屬于空間機(jī)構(gòu)，運動普通只用轉(zhuǎn)動和移動兩類。用轉(zhuǎn)動相聯(lián)關(guān)節(jié)成為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié);以移動相聯(lián)關(guān)節(jié)成為移動關(guān)節(jié)。單獨驅(qū)動積極關(guān)節(jié)數(shù)目成為機(jī)械手自由度數(shù)。本文要研究串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人五個關(guān)節(jié)都是轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。隨著技術(shù)進(jìn)步，串聯(lián)構(gòu)造機(jī)器人本體構(gòu)造近來發(fā)展變化不久，從開始具有局部閉鏈平行四邊形機(jī)構(gòu)，到變化為大儲采用新型非平行四邊形單連桿機(jī)構(gòu)，工作空間有所增長，本體自重進(jìn)一步減小，變得更加輕巧，新材料采用如輕質(zhì)鋁合金材料應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人性能，并逐漸成為串聯(lián)構(gòu)造機(jī)器人普遍采用構(gòu)造之一。1.2課題提出及意義進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，由于具備普通功能老式工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用趨向飽和，而許多高檔生產(chǎn)和特種應(yīng)用則需要具備各種智能機(jī)器人參加，因而促使智能機(jī)器人獲得較為迅速發(fā)展。無論從國際或國內(nèi)角度來看，復(fù)蘇和繼續(xù)發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一條重要途徑就是開發(fā)各種智能機(jī)器人，以求提高機(jī)器人性能，擴(kuò)大其功能和應(yīng)用領(lǐng)域?；仡櫧?0近年來國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)發(fā)展歷程，可以歸納出下列趨勢:1)傳感型智能機(jī)器人發(fā)展較快2)開發(fā)新型智能技術(shù)3)采用模塊化設(shè)計技術(shù)4)機(jī)器人工程系統(tǒng)呈上升趨勢5)微型機(jī)器人研究有所突破6)應(yīng)用領(lǐng)域向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)擴(kuò)展從整個工業(yè)領(lǐng)域來看，對工業(yè)機(jī)器人需求越來越大，性能指標(biāo)越來越高。運動學(xué)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人底層核心某些，對其核心技術(shù)，如運動學(xué)建模、運動學(xué)方程求解、運動空間插值算法等研究，將從很大限度上決定著一種機(jī)器人系統(tǒng)基本性能。隨著科技發(fā)展，機(jī)器人已成為工業(yè)當(dāng)代化限度標(biāo)志，機(jī)器人學(xué)是一門高度交叉前沿學(xué)科，與機(jī)械學(xué)、生物學(xué)、人類學(xué)、計算機(jī)科學(xué)與工程、控制論與控制工程學(xué)、人工智能、社會學(xué)等。機(jī)器人學(xué)包括機(jī)器人運動學(xué)、機(jī)器人動力學(xué)、機(jī)器人控制、機(jī)器人智能化等領(lǐng)域有著不同層次意義聯(lián)系，本文以對機(jī)器手控制及運動學(xué)系統(tǒng)為主線，對如何實現(xiàn)機(jī)器手動作作了較進(jìn)一步研究與討論?？傉f來，對于機(jī)器人控制及運動系統(tǒng)研究在理論和應(yīng)用上都具備重要意義。本文基于上述串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人為研究對象，對GR-1型教學(xué)機(jī)械手運動及控制進(jìn)行研究。1.3本文研究內(nèi)容和重要工作本文以GR-1型教學(xué)機(jī)械手為研究對象，對其進(jìn)行運動學(xué)求解；并運用其成果對機(jī)械手軌跡進(jìn)行規(guī)劃；最后運用其軌跡規(guī)劃成果，對機(jī)械手運動進(jìn)行自動控制。該內(nèi)容由兩人共同完畢，本人詳細(xì)完畢如下工作：1、對機(jī)械手進(jìn)行位姿描述，應(yīng)用D-H參數(shù)法建立串聯(lián)關(guān)節(jié)機(jī)器人桿件坐標(biāo)系，求解位姿正解。2、對機(jī)械手軌跡進(jìn)行規(guī)劃，采用三次多項式插值運算辦法，運用由機(jī)器人運動學(xué)解得關(guān)節(jié)變量求得運動軌跡方程。3、用VisualBasic6.0軟件做出人機(jī)交互界面，在界面上顯示計算成果和軌跡曲線圖。4、編寫機(jī)械手控制程序，通過VisualBasic6.0界面將成果輸出并將控制數(shù)據(jù)輸入PLC，實現(xiàn)對機(jī)械手自動控制。

第2章PLC控制系統(tǒng)及實現(xiàn)2.1機(jī)械手及控制器重要參數(shù)1機(jī)械手a、自由度：5（不涉及手指開閉控制）b、各關(guān)節(jié)活動范疇：腰：≥肩：≥肘：≥270。手俯仰：≥手指旋轉(zhuǎn)：≥c、最大活動區(qū)域：垂直方向：850mm水平方向：600mmd、基本尺寸：上、下臂長：228mm手后部：73mme、各軸辨別率如表2-1：表2-1各軸辨別率參數(shù)軸電機(jī)代號辨別率（度/脈沖）軀干M10.14上臂M20.11下臂M30.11手俯仰M40.11手指旋轉(zhuǎn)M50.242電機(jī)工作電壓：U=12V空載轉(zhuǎn)速：n=3000r/min空載電流：I=0.15A2.2簡述機(jī)械手動作實現(xiàn)GR—1型教學(xué)機(jī)械手重要由機(jī)械和控制兩大某些構(gòu)成，本論文重要對其控制某些進(jìn)行研究。該機(jī)械手采用是串聯(lián)式關(guān)節(jié)機(jī)械手，所有采用開鏈?zhǔn)?，?gòu)造簡樸，整個機(jī)械手分5個自由度：腰、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手指，所有有直流電機(jī)驅(qū)動?？刂乒δ軐崿F(xiàn)重要是通過對控制器編程，由光電編碼器檢測各電機(jī)旋轉(zhuǎn)角位移，再結(jié)合PLC來控制各個電機(jī)角位移，從而實現(xiàn)對機(jī)械手各個關(guān)節(jié)較精準(zhǔn)運動以實現(xiàn)機(jī)械手預(yù)期動作。光電編碼器起控制直流電機(jī)角位移精度作用，固定于電機(jī)轉(zhuǎn)軸上與電機(jī)同步運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)工作時，各光電編碼器輸出一系列與直流電機(jī)運轉(zhuǎn)角度相相應(yīng)脈沖信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路將序列脈沖電壓信號轉(zhuǎn)換成PLC可以接受開關(guān)信號，在PLC內(nèi)部通過計數(shù)器計數(shù)后得到一種電機(jī)實際角位移信號，運營PLC控制程序，獲得擬定輸出，再通過外電路由PLC輸出信號來控制電機(jī)啟動停止，以實現(xiàn)機(jī)械手預(yù)期動作。下面將對PLC如何控制直流電機(jī)來實現(xiàn)機(jī)械手動作實現(xiàn)方案來做闡明。2.3控制軟件設(shè)計實現(xiàn)PLC對機(jī)械手控制，要將各桿件運動控制轉(zhuǎn)換成對機(jī)械手各電機(jī)角位移控制。要使機(jī)械手手抓到達(dá)預(yù)期位置就要計算出每個關(guān)節(jié)運動角度，即每個電機(jī)所應(yīng)轉(zhuǎn)角度，這可通過對各空間坐標(biāo)系相對運動在運動學(xué)基本上計算得到，最后，將其轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部控制指令即可實現(xiàn)軟件控制。2.3.1PLC選取PLC類型選取重要考慮兩個方面：輸入輸出點數(shù)目和存儲容量。容量有計算公式：指令條數(shù)=（輸入點數(shù)+輸出點數(shù)）(10--12)再留有15%左右備用量，依照外部電路特點得到輸入、輸出點數(shù)目，最后選定用三菱公司生產(chǎn)FX2N—64MR型PLC。詳細(xì)計算和分析過程參照同組同窗畢業(yè)設(shè)計闡明書。2.3.2光電編碼器機(jī)械手各個電機(jī)角位移精確控制是通過光電編碼器反饋信息來實現(xiàn)，每個直流電機(jī)輸出軸上都裝有光電編碼器，通過它實現(xiàn)光電脈沖轉(zhuǎn)換及對電機(jī)轉(zhuǎn)角檢測。光電編碼器重要是由控制電路板、光電耦合器及遮光盤構(gòu)成。隨碼盤旋轉(zhuǎn)，輸出一系列計數(shù)脈沖。增量式編碼器需要預(yù)先指定一種基數(shù)：零位。輸出脈沖相對于基數(shù)進(jìn)行加減，從而測量出碼盤位移，即電機(jī)角位移。碼盤固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)，編碼器產(chǎn)生代表角位移脈沖。光電編碼器輸出涉及A、B兩個頻道信號，碼盤為6孔均勻分布金屬盤。當(dāng)總線通電時，光電耦合器發(fā)光二極管發(fā)出不可見紅外線光，通過旋轉(zhuǎn)碼盤通光孔而被光敏器接受，光敏器件兩端由截止變?yōu)閷?dǎo)通，兩端電壓發(fā)生變化，從A、B輸出信號，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周發(fā)送12次信號2.3.3接口電路1、輸入接口輸入接口有位置傳感器信號輸入，限位信號輸入以及手動開關(guān)接入。FX2N—64MR提供21個高速計數(shù)器，即C235至C255，但它們共享同一種PLC上6個高速計數(shù)器輸入端（X0～X5）。即如果輸入已經(jīng)被某個計數(shù)器占用，它就不能再用于另一種高速計數(shù)器（或其她用途）。也就是說，由于只有6個高速計數(shù)器輸入，因而，最多同步用6個高速計數(shù)器。在本文中將用到是沒有啟動/復(fù)位單相高速計數(shù)器C235～C239。計數(shù)器端口分派如表2-2。表2-2高計數(shù)器表輸入C235C236C237C238C239X0U/DX1U/DX2U/DX3U/DX4U/D注：U—增計數(shù)輸入；D—減計數(shù)輸入。2、輸出接口輸出接口重要接電機(jī)，由于五個電機(jī)都要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，即能實現(xiàn)正反向供電，每個電機(jī)分派4個輸出端口。接線電路及其設(shè)計參照同組同窗設(shè)計闡明書。2.3.4控制原理及程序1、機(jī)械手動作控制原理程序啟動后，各個電機(jī)按照程序規(guī)定逐個開始運動使得機(jī)械手開始動作。一方面，腰部電機(jī)M1按程序指定規(guī)定正向轉(zhuǎn)動，相應(yīng)計數(shù)器開始對光電編碼器返回信號進(jìn)行計數(shù)，計數(shù)器計滿數(shù)據(jù)后，PLC輸出控制指令，使M1停止轉(zhuǎn)動，同步依次逐個啟動控制電機(jī)M2、M3、M4、M5開始轉(zhuǎn)動，各個電機(jī)控制方式實現(xiàn)同電機(jī)M1。當(dāng)電機(jī)M5動作完畢后，整個機(jī)械手完畢了其所有動作，由規(guī)定起點到達(dá)終點。流程圖如圖2-1所示。PLCPLC電機(jī)M1啟動M1停，M2啟動發(fā)出指令腰部轉(zhuǎn)動計數(shù)器C235滿上臂轉(zhuǎn)動計數(shù)器C236滿M2停，M3啟動前臂轉(zhuǎn)動計數(shù)器C237滿M3停，M4啟動手腕轉(zhuǎn)動計數(shù)器C238滿M4停，M5啟動M5停止，整個動作完畢手指轉(zhuǎn)動計數(shù)器C239滿圖2-1機(jī)械手動作流程圖2編寫控制程序搬運機(jī)械手動作由電機(jī)驅(qū)動各個關(guān)節(jié)實現(xiàn)，轉(zhuǎn)動角度由計數(shù)器計數(shù)控制，計數(shù)器值滿后斷電使電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。各計數(shù)器值由表2-1和軌跡規(guī)劃成果表5-4擬定如表2-3。表2-3各計數(shù)器數(shù)值計數(shù)器C235C236C237C238C239數(shù)值41471183116梯形圖見附錄。

第3章機(jī)械手運動學(xué)系統(tǒng)3.1引言機(jī)器人運動學(xué)重要有如下兩個基本問題：（1）對一給定機(jī)器人，已知桿件幾何參數(shù)和關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對給定坐標(biāo)系位置和姿態(tài)。給定坐標(biāo)系為固定在大地上笛卡兒坐標(biāo)系，作為機(jī)器人總坐標(biāo)系，也稱為世界坐標(biāo)系（WorldCoordinate）。（2）已知機(jī)器人桿件參數(shù)，給定末端執(zhí)行器相對于總體坐標(biāo)系位置和姿態(tài)，擬定關(guān)節(jié)變量大小。第一種問題常稱為運動學(xué)正問題（DKP-DirectKinematicProblems），第二個問題普通稱為運動學(xué)逆問題（IKP-InverseKinematicProblems）。機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)變量是獨立變量，而末端執(zhí)行器作業(yè)普通在總體坐標(biāo)系中闡明。依照末端執(zhí)行器在總體坐標(biāo)系中位姿來擬定相應(yīng)各關(guān)節(jié)變量要進(jìn)行運動學(xué)逆題求解。機(jī)器人運動學(xué)逆問題是編制機(jī)器人運動控制系統(tǒng)軟件所必備知識。3.2機(jī)械手運動學(xué)數(shù)學(xué)基本機(jī)械手是機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械運動某些.為了描述機(jī)械手操作，必要建立機(jī)械手各連桿間以及機(jī)械手與周邊環(huán)境間運動關(guān)系，研究機(jī)械手運動，不但涉及機(jī)械手自身，并且涉及各物體間以及物體與機(jī)械手關(guān)系，齊次坐標(biāo)及其變換就是用來表達(dá)這些關(guān)系.齊次坐標(biāo)互換不但可以表達(dá)運動學(xué)問題，并且可以表達(dá)機(jī)械手控制算法、計算機(jī)視覺和計算機(jī)圖形學(xué)等問題。3.2.1機(jī)器人位置與姿態(tài)描述在描述物體，如零件、工具或機(jī)械手間關(guān)系時，要用到位置矢量、平面和坐標(biāo)系等概念，對于工業(yè)機(jī)器人運動學(xué)系統(tǒng)描述就是建立在這些概念基本上。1.位置描述描述物體(如零件、工具或機(jī)械手)間關(guān)系時，一旦建立了一種坐標(biāo)系，咱們就可以用某個31位置矢量來擬定該空間內(nèi)任一點位置.對于直角坐標(biāo)系{A}，空間任意一點P位置可用31列矢量圖3-1位姿表達(dá)(3.1)表達(dá)。其中，、、是點P在坐標(biāo)系{A}中三個坐標(biāo)分量上標(biāo)A代表參照坐標(biāo)系{A}。咱們稱為位置矢量，如圖3-1所示。2.位姿描述為了研究機(jī)器人運動與操作，往往不但要表達(dá)空間某個點位置，并且需要表達(dá)物體方位。物體方位可由某個固接于此物體坐標(biāo)系描述。為了規(guī)定空間某剛體B方位，設(shè)立一種直角坐標(biāo)系{B}與此剛體固接。用坐標(biāo)系{B}三個單位主矢量相對于參照坐標(biāo)系{A}方向余弦構(gòu)成3×3矩陣：（3.3）來表達(dá)剛體B相對于坐標(biāo)系{A}方位。稱為旋轉(zhuǎn)矩陣。式中，上標(biāo)A表參照坐標(biāo)系{A}，下標(biāo)B代表被描述坐標(biāo)系{B}.共有9個元素，但只有3個是獨立.由于三個列矢量和，都是單位矢量，且雙雙互相垂直，因而它9個元素滿足6個約束條件(正交條件)。（3.3）（3.4）相應(yīng)于軸x,y或z作轉(zhuǎn)角為θ旋轉(zhuǎn)變換，其旋轉(zhuǎn)矩陣分別為:(3.5)(3.6)(3.7){B}{B}{A}圖3-2方位描述式中，表達(dá)，表達(dá)。圖3-2表達(dá)一種物體方位，此物體與坐標(biāo)系{B}固接，并相對于參照坐標(biāo)系{A}運動。3.3空間齊次坐標(biāo)變換3.3.1坐標(biāo)變換空間中任意點P在不同坐標(biāo)系中描述是不同。為了闡明從一種坐標(biāo)系描到另一種坐標(biāo)系描述關(guān)系，需要討論這種變換數(shù)學(xué)問題。坐標(biāo)變換普通有兩種形式:平移坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換。設(shè)坐標(biāo)系{B}與{A}具備相似方位，但{B}坐標(biāo)系原點與{A}原點不重疊。用位置矢量，描述它相對于{A}位置，如圖3-3所示。稱為{B}相對于{A}平移矢量。如果點P在坐標(biāo)系{B}中位置為，那么它相對于坐標(biāo)系{A}位置矢量可由矢量相加得出，即=+(3.8)式(3.8)被稱為坐標(biāo)平移方程。{{A}zAyAxAoAApApBxRoRyRzR{B}Bp圖3-3平移變換設(shè)坐標(biāo)系{B}與{A}有共同坐標(biāo)原點，但兩者方位不同，如圖3-4所示.用旋轉(zhuǎn)矩陣描述{B}對于{A}方位。同一點P在兩個坐標(biāo)系{A}和{B}中描述和具備如下變換關(guān)系:=(3.9)稱(3.9)式為坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)方程。咱們可以類似地用穿R描述坐標(biāo)系{A}相對于{B}方位。和都是正交矩陣，兩者互逆。對于最普通情形:坐標(biāo)系{B}原點與{A}原點既不重疊，{B}方位與{A}方位也不相似。用位置矢量描述{B}坐標(biāo)原點相對于{A}位置:用旋轉(zhuǎn)矩陣描述{B}相對于{A}方位，如圖3-4所示。{{A}zAyAxAoAApApRzCzRoRxRxCyCyR{B}B圖3-4平移變換與旋轉(zhuǎn)變換對于任一點P在兩坐標(biāo)系{A}和{B}中描述和具備如下變換關(guān)系:（3.10）3.3.2齊次坐標(biāo)變換己知始終角坐標(biāo)系中某點坐標(biāo)，那么該點在另始終角坐標(biāo)系中坐標(biāo)可通過齊次坐標(biāo)變換求得。變換式(3.10)對于點而言是非齊次，但是可以將其表達(dá)為等價齊次變換形式（3.11）其中，4x1列矢量表達(dá)三維空間點，稱為點齊次坐標(biāo)，依然記為或?？砂咽?3.11)寫成矩陣形式=（3.12）式中，齊次坐標(biāo)或是4x1列矢量。齊次變換矩陣是4x4方陣，具備如下形式（3.13）綜合地表達(dá)了平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。3.3點在空間直角坐標(biāo)系中繞過原點任意軸普通旋轉(zhuǎn)變換1.RPY角（繞固定軸X-Y-Z旋轉(zhuǎn)）RPY角是描述船舶在海中航行時姿態(tài)一種辦法。將船行駛方向取為Z軸，則繞Z軸旋轉(zhuǎn)（角）稱為滾動（Roll）；把繞Y軸旋轉(zhuǎn)（角）稱為俯仰（Pitch）；而把垂直方向取為X軸，將繞X軸旋轉(zhuǎn)（角）稱為偏轉(zhuǎn)（Yaw），操作臂手抓姿態(tài)規(guī)定辦法類似，故習(xí)慣上稱為RPY角辦法。2.描述活動坐標(biāo)系方位法則如下：活動系初始方位與參照系重疊，一方面將活動系繞參照系X軸旋轉(zhuǎn)角，再繞參照系Y軸轉(zhuǎn)角，最后繞參照系Z軸轉(zhuǎn)角，因三次旋轉(zhuǎn)都是相對于參照系，因此得相應(yīng)旋轉(zhuǎn)矩陣（3.14）其中。將矩陣相乘得（3.15）它表達(dá)繞固定坐標(biāo)系三個軸依次旋轉(zhuǎn)得到旋轉(zhuǎn)矩陣，因而稱為繞固定軸X-Y-Z旋轉(zhuǎn)RPY角法。令：（3.16）（1）由給定旋轉(zhuǎn)矩陣求出等價繞固定軸X-Y-Z旋轉(zhuǎn)角。式（3.16）中有3個未知數(shù)，共9個方程，其中6個方程不獨立，因而可以運用其中3個方程解出未知數(shù)。由式（3.15）、（3.16）可以看出：（3.17）如果，則得到各個角反正切表達(dá)式：（3.18）式中，是雙變量反正切函數(shù)，用其計算arctan(y/x)長處在于運用了X和Y符號可以擬定所得角度所在象限這一現(xiàn)象。式（3.17）中根式普通有兩個解，咱們總是取中一種解。（2）從給定繞固定軸X-Y-Z旋轉(zhuǎn)角，陣求出等價旋轉(zhuǎn)矩陣。將給定角代入式（3.15）與式（3.16）中元素相應(yīng)相等即可以求得所求矩陣。

3.4Denavt-Hartenberg(D-H)表達(dá)法圖3-4關(guān)節(jié)參數(shù)規(guī)定機(jī)械手由一串用轉(zhuǎn)動或平移關(guān)節(jié)連接剛體（桿件）構(gòu)成。每一對關(guān)節(jié)-桿構(gòu)成一種自由度。桿件編號由手臂固定機(jī)座開始，固定機(jī)座可當(dāng)作桿件0，第一種運動體是桿件1，依次類推，最后一種桿件與工具相連；關(guān)節(jié)1處在連接桿件1和基座之間，每個桿件至多與此外兩個桿件相聯(lián)，而不構(gòu)成閉環(huán)。任何桿件i都可以用兩個尺度表征，如圖2.5所示，桿件i長度，是桿件上兩個關(guān)節(jié)軸線最短距離；桿件i扭轉(zhuǎn)角，是兩個關(guān)節(jié)軸線夾角。普通，在每個關(guān)節(jié)軸線上連接有兩根桿件，每個桿件各有一根和軸線垂直法線。兩個桿件相對位置由兩桿間距離（關(guān)節(jié)軸上兩軸間法線距離）和夾角（關(guān)節(jié)軸上兩個法線夾角）擬定。為描述相鄰桿件間平移和轉(zhuǎn)動關(guān)系。Denavit和Hatenberg（1955）提出了一種為關(guān)節(jié)鏈中每一桿件建立附體坐標(biāo)系矩陣辦法。D-H辦法是為每個關(guān)節(jié)處桿件坐標(biāo)系建立44齊次變換矩陣，表達(dá)它與前一桿件坐標(biāo)系關(guān)系。這樣逐次變換，有“手部坐標(biāo)”表達(dá)末端執(zhí)行器可被變換并用機(jī)座坐標(biāo)表達(dá)。3.4.1坐標(biāo)系建立N關(guān)節(jié)機(jī)器人需建立n+1個坐標(biāo)系，其中參照（機(jī)座）坐標(biāo)系為，機(jī)械手末端坐標(biāo)系為，第i關(guān)節(jié)上坐標(biāo)系為。擬定和建立每個坐標(biāo)系應(yīng)依照下面3條規(guī)則：（1）軸沿著第關(guān)節(jié)軸運動軸；（2）軸垂直于和軸并指向離開軸方向；（3）按右手坐標(biāo)系規(guī)定建立。按照這些規(guī)則，第0號坐標(biāo)系在機(jī)座上位置和方向可任選，只要軸沿著第1關(guān)節(jié)運動軸。第n坐標(biāo)系可防在手任何部位，只要軸與軸垂直。3.4.2幾何參數(shù)定義第關(guān)節(jié)依照上述對桿件參數(shù)及坐標(biāo)系定義，描述串聯(lián)機(jī)器人相鄰坐標(biāo)系之間關(guān)系可歸結(jié)如下4個參數(shù)：圖3-5桿件參數(shù)和坐標(biāo)系第關(guān)節(jié)第關(guān)節(jié)圖3-5桿件參數(shù)和坐標(biāo)系第關(guān)節(jié)：繞軸（右手規(guī)則）由軸向軸關(guān)節(jié)角；：從第坐標(biāo)系原點到軸和軸交點沿軸距離；：從和交點到第坐標(biāo)系原點沿軸偏置距離（或者說，是和兩軸間最小距離）；：繞軸（右手規(guī)則）由軸轉(zhuǎn)向軸偏角。對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、和是關(guān)節(jié)參數(shù)，是關(guān)節(jié)變量。移動關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)參數(shù)是、和，是關(guān)節(jié)變量。3.4.3建立坐標(biāo)系和坐標(biāo)系齊次變換矩陣將第個坐標(biāo)系點在坐標(biāo)系表達(dá)，需建立坐標(biāo)系和坐標(biāo)系齊次變換矩陣，因而需通過如下變換：1、將坐標(biāo)系繞軸轉(zhuǎn)角，使軸與軸平行并指向同一方向；2、將坐標(biāo)系沿軸平移距離，使軸與軸重疊；3、將坐標(biāo)系沿軸平移距離，使兩坐標(biāo)系原點重疊；4、將坐標(biāo)系繞軸轉(zhuǎn)角，使兩坐標(biāo)系完全重疊。從而，坐標(biāo)系和坐標(biāo)系齊次變換矩陣可以依照矩陣合成規(guī)則得到，稱為相鄰坐標(biāo)系和變換矩陣。即（由算子左、右乘規(guī)則得）=（3.19）式中，表達(dá)，表達(dá)。對于在第個坐標(biāo)系點在坐標(biāo)系表達(dá)為：擬定第坐標(biāo)系相對于機(jī)座坐標(biāo)系位置齊次變換矩陣是各齊次變換矩陣連乘積，可表達(dá)到式中，是固連桿在桿件上第個坐標(biāo)系姿態(tài)矩陣，是由機(jī)座坐標(biāo)系原點指向第個坐標(biāo)系原點位置矢量。特別當(dāng)i=6時，求得T矩陣，，它擬定了機(jī)械手末端相對于機(jī)座坐標(biāo)系位置和狀態(tài)?？梢园裈矩陣寫成式中，為手法向矢量，為手滑動矢量，為手接近矢量，為手位置矢量。

第4章機(jī)器人運動學(xué)方程求解4.1機(jī)器人正向運動學(xué)4.2機(jī)器人逆向運動學(xué)參照同組同窗論文逆向運動學(xué)某些可得如下成果：，，，因均已知，因此可進(jìn)而求得。以上成果，給出了機(jī)械手置于任何盼望位姿時所需關(guān)節(jié)值，為下一章軌跡規(guī)劃所用。

第5章機(jī)械手軌跡規(guī)劃5.1機(jī)器人軌跡概念機(jī)器人軌跡泛指工業(yè)機(jī)器人在運動過程中運動軌跡，即運動點位移、速度和加速度。機(jī)器人在作業(yè)空間要完畢給定任務(wù)，其手部運動必要按一定軌跡(trajectory)進(jìn)行。軌跡生成普通是先給定軌跡上若干個點，將其經(jīng)運動學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中相應(yīng)點建立運動方程，然后按這些運動方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實現(xiàn)作業(yè)空間運動規(guī)定，這一過程普通稱為軌跡規(guī)劃。工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃屬于機(jī)器人低層規(guī)劃，基本上不涉及人工智能問題，本章僅討論在關(guān)節(jié)空間或笛卡爾空間中工業(yè)機(jī)器人運動軌跡規(guī)劃和軌跡生成辦法。機(jī)器人運動軌跡描述普通是對其手部位姿描述，此位姿值可與關(guān)節(jié)變量互相轉(zhuǎn)換?？刂栖壽E也就是準(zhǔn)時間控制手部或工具中心走過空間途徑。5.2軌跡生成方式運動軌跡描述或生成有如下幾種方式：(1)示教-再現(xiàn)運動。這種運動由人手把手示教機(jī)器人，定期記錄各關(guān)節(jié)變量，得到沿途徑運動時各關(guān)節(jié)位移時間函數(shù)q(t)；再現(xiàn)時，按內(nèi)存中記錄各點值產(chǎn)生序列動作。(2)關(guān)節(jié)空間運動。這種運動直接在關(guān)節(jié)空間里進(jìn)行。由于動力學(xué)參數(shù)及其極限值直接在關(guān)節(jié)空間里描述，因此用這種方式求最短時間運動很以便。(3)空間直線運動。這是一種直角空間里運動，它便于描述空間操作，計算量小，適當(dāng)簡樸作業(yè)。(4)空間曲線運動。這是一種在描述空間中用明確函數(shù)表達(dá)運動，如圓周運動、螺旋運動等。5.2.1軌跡規(guī)劃涉及重要問題為了描述一種完整作業(yè)，往往需要將上述運動進(jìn)行組合。普通這種規(guī)劃涉及到如下幾方面問題：(1)對工作對象及作業(yè)進(jìn)行描述，用示教辦法給出軌跡上若干個結(jié)點(knot)。(2)用一條軌跡通過或逼近結(jié)點，此軌跡可按一定原則優(yōu)化，如加速度平滑得到直角空間位移時間函數(shù)X(t)或關(guān)節(jié)空間位移時間函數(shù)q(t)；在結(jié)點之間如何進(jìn)行插補，即依照軌跡表達(dá)式在每一種采樣周期實時計算軌跡上點位姿和各關(guān)節(jié)變量值。(3)以上生成軌跡是機(jī)器人位置控制給定值，可以據(jù)此并依照機(jī)器人動態(tài)參數(shù)設(shè)計一定控制規(guī)律。(4)規(guī)劃機(jī)器人運動軌跡時，尚需明確其途徑上與否存在障礙約束組合。普通將機(jī)器人規(guī)劃與控制方式分為四種狀況，如表5-1所示。表5-1機(jī)器人規(guī)劃與控制方式障礙約束有無途徑約束有離線無碰撞途徑規(guī)則+在線途徑跟蹤離線途徑規(guī)劃+在線途徑跟蹤無位置控制+在線障礙探測和避障位置控制本章重要討論持續(xù)途徑無障礙軌跡規(guī)劃辦法。5.3插補方式分類點位控制(PTP控制)普通沒有途徑約束，多以關(guān)節(jié)坐標(biāo)運動表達(dá)。點位控制只規(guī)定滿足起終點位姿，在軌跡中間只關(guān)于節(jié)幾何限制、最大速度和加速度約束；為了保證運動持續(xù)性，規(guī)定速度持續(xù)，各軸協(xié)調(diào)。持續(xù)軌跡控制(CP控制)有途徑約束，因而要對途徑進(jìn)行設(shè)計。途徑控制與插補方式分類如表5-2所示。表5-2途徑控制與插補方式分類5.4機(jī)器人軌跡插值計算給出各個途徑結(jié)點后，軌跡規(guī)劃任務(wù)包括解變換方程，進(jìn)行運動學(xué)反解和插值計算。在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃時，需進(jìn)行大量工作是對關(guān)節(jié)變量插值計算。插補分為：直線插補、圓弧插補、定期插補、定距插補和關(guān)節(jié)空間插補等。在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃，需要給定機(jī)器人在起始點和終結(jié)點手臂位形。對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值時應(yīng)滿足一系列約束條件，例如抓取物體時手部運動方向(初始點)、提高物體離開方向(提高點)、放下物體(下放點)和停止點等結(jié)點上位姿、速度和加速度規(guī)定；與此相應(yīng)各個關(guān)節(jié)位移、速度、加速度在整個時間間隔內(nèi)持續(xù)性規(guī)定以及其極值必要在各個關(guān)節(jié)變量容許范疇之內(nèi)等。滿足所規(guī)定約束條件之后，可以選用不同類型關(guān)節(jié)插值函數(shù)，生成不同軌跡。慣用關(guān)節(jié)空間插補有：三次多項式插值、高階多項式插值、用拋物線過渡線性插值等辦法，本章重點對關(guān)節(jié)空間插補中三次多項式插值進(jìn)行討論。5.4.1三次多項式插值在機(jī)器人運動過程中，若末端執(zhí)行器起始和終結(jié)位姿已知，由逆向運動學(xué)即可求出相應(yīng)于兩位姿各個關(guān)節(jié)角度。末端執(zhí)行器實現(xiàn)兩位姿運動軌跡描述可在關(guān)節(jié)空間中用通過起始點和終結(jié)點關(guān)節(jié)角一種平滑軌跡函數(shù)q(t)來表達(dá)。為實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運動，每個關(guān)節(jié)軌跡函數(shù)q(t)至少需要滿足四個約束條件，即兩端點位置約束和兩端點速度約束。端點位置約束是指起始位姿和終結(jié)位姿分別所相應(yīng)關(guān)節(jié)角度。q(t)在時刻=0時值是起始關(guān)節(jié)角度，在終端時刻時值是終結(jié)關(guān)節(jié)角度，即(5.1)為滿足關(guān)節(jié)運動速度持續(xù)性規(guī)定，起始點和終結(jié)點關(guān)節(jié)速度可簡樸地設(shè)定為零，即(5.2)上面給出四個約束條件可以惟一地擬定一種三次多項式（5.3)運動過程中關(guān)節(jié)速度和加速度則為(5.4)為求得三次多項式系數(shù)a0，a1，a2和a3，將式(5.1)和式(5.2)代以給定約束條件，有方程組(5.5)求解該方程組，可得(5.6)對于起始速度及終結(jié)速度為零關(guān)節(jié)運動，滿足持續(xù)平穩(wěn)運動規(guī)定三次多項式插值函數(shù)為5.4.2機(jī)械手軌跡規(guī)劃。本文所研究是五自由度機(jī)械手正運動問題。在起點和終點，末端關(guān)節(jié)位姿是已知，故可通過前文所討論求得兩位置時各關(guān)節(jié)角度。因而，可以用平滑插值函數(shù)來描述機(jī)械手起始位置和目的位置之間運動軌跡。此外，為了使實際生成軌跡平滑，在機(jī)械手整個工作期間，除了保證其運動和速度持續(xù)之外，還應(yīng)當(dāng)保證加速度不發(fā)生突變，使運動平穩(wěn)。依照已知條件和前文討論，選用三次多項式軌跡規(guī)劃辦法進(jìn)行規(guī)劃。起點和終點位姿如表5-3所示表5-3機(jī)械手起點、終點給定值控制點起點151231250324560終點200300178205080由機(jī)械手運動學(xué)方程逆解可以求得控制點各個關(guān)節(jié)變量值，如表5-4所示：表5-4機(jī)械手起點、終點關(guān)節(jié)變量值控制點起點56.3180.922-45.244-52.738-24.683終點56.828-66.00673.282-83.861-9.074各關(guān)節(jié)軌跡生成由于在三次多項式插值計算中，為實現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)運動，每個關(guān)節(jié)軌跡函數(shù)至少需要滿足四個約束條件，即兩端點位置約束和兩端點速度約束。在機(jī)器人正運動過程中，末端執(zhí)行器起始和終結(jié)位姿已經(jīng)給出，由逆向運動學(xué)即可求得相應(yīng)于兩位姿各個關(guān)節(jié)角度，如表（5-4）所示；再假設(shè)在初始位置和目的位置速度為零，即在這兩個位置位姿函數(shù)導(dǎo)數(shù)為零，即有四個約束條件，滿足理解得各個關(guān)節(jié)三次多項式軌跡規(guī)定。最后，依照位移表達(dá)式（5.7）代入已知數(shù)據(jù)求得位移，再分別求一階導(dǎo)數(shù)，二階導(dǎo)數(shù)即式（5.8）和（5.9）便可求得速度和加速度表達(dá)式。下一章將用VisualBasic6.0對機(jī)械手各關(guān)節(jié)運動軌跡作簡介。

第6章系統(tǒng)交互界面設(shè)計在Windows平臺上使用VisualBasic6.0（如下簡稱VB）對機(jī)械手軌跡進(jìn)行規(guī)劃，由于VB擁有著可視化平臺、易學(xué)易用集成開發(fā)環(huán)境、強大數(shù)據(jù)功能等特點，使得機(jī)械手軌跡規(guī)劃直觀、明了顯示出來，使得機(jī)械手整個運動控制過程變得直觀操作更加簡樸，減少了對使用及控制能力規(guī)定。6.1VisualBasic6.0簡介VB中文版是Microsoft公司提供一種可視化開發(fā)工具—VisualStudio98一種構(gòu)成某些?！癡isual”意即可視，指是開發(fā)像Windows操作系統(tǒng)圖形顧客界面(GraphicUserInterface，GUI)辦法，它不需要編寫大量代碼去描述界面元素外觀和位置，只要把預(yù)先建立好對象拖放到屏幕上相應(yīng)位置即可。Basic指是BASIC(BeginnersAll-PurposeSymbolicInstructionCode，初學(xué)者通用符號指令代碼)語言——一種在計算機(jī)技術(shù)發(fā)展歷史上應(yīng)用最廣泛語言，也是Microsoft公司開發(fā)第一種程序設(shè)計語言。VisualBasic在原有BASIC語言基本上進(jìn)一步發(fā)展，至今己包括了數(shù)百條語句、函數(shù)和核心詞。無論對專業(yè)人員還是初學(xué)者VB都提供了整套開發(fā)工具，可以說是開發(fā)Windows應(yīng)用程序最迅速、最簡捷辦法。當(dāng)前，人們可以使用VB提供工具為自己或工作組創(chuàng)立實用程序及大型公司應(yīng)用系統(tǒng)，甚至可以創(chuàng)立通過Internet遍及全球分布式應(yīng)用程序。VB6.0是一種以對象為基本，以事件驅(qū)動為編程機(jī)制可視化程序設(shè)計語言，功能強大、簡樸易學(xué)。與普通數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，用VB作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺有如下長處:(1)簡樸。VB提供了數(shù)據(jù)控件，運用該控件，顧客只要編寫少量代碼甚至不編寫任何代碼就可以訪問數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行瀏覽。此外其可視化顧客界面設(shè)計功能，把程序員從繁瑣復(fù)雜界面設(shè)計中解脫了出來。(2)靈活。VB不像普通數(shù)據(jù)庫(如Access)那樣局限于特定應(yīng)用程序構(gòu)造，也不需要用某些指令對當(dāng)前打開數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，因而比較靈活。(3)可擴(kuò)充。VB是一種可以擴(kuò)充語言，其中涉及在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用方面擴(kuò)充。在VisualBasic中，可以使用ActiveX控件(此前版本中稱為VBX或UUH控件)，這些控件可以由Microsoft公司提供，也可以由第三方開發(fā)者提供。有了這些控件，可以很容易地在VisualBasic中增長新功能，擴(kuò)充VB數(shù)據(jù)存取控制指令系統(tǒng)。在其他數(shù)據(jù)庫開發(fā)平臺中，當(dāng)前還不具備ActiveX控件。6.2VB設(shè)計任務(wù)本系統(tǒng)中VB重要是實現(xiàn)人與控制器交流。一方面進(jìn)入是一種分區(qū)人機(jī)交互界面，有機(jī)械手起點和終點位姿參數(shù)輸入、各關(guān)節(jié)變量值顯示、各關(guān)節(jié)軌跡圖形顯示和命令控制區(qū)。其中命令控制區(qū)有5個控件：計算、軌跡規(guī)劃、輸出、寫入PLC和清除。當(dāng)輸入位姿參數(shù)后，按計算控件得出關(guān)節(jié)變量，通過軌跡規(guī)劃在圖形顯示區(qū)顯示出各關(guān)節(jié)運動軌跡，最后輸出并寫入PLC以實現(xiàn)對機(jī)械手控制。其運算流程可簡要表達(dá)如圖6-1。輸入位姿參數(shù)輸入位姿參數(shù)計算關(guān)節(jié)變量軌跡規(guī)劃輸出變量值顯示位移圖形與否符合規(guī)定輸出寫入PLC開始結(jié)束清除NY圖6-1軌跡計算流程圖6.3窗體設(shè)計窗體分為5個區(qū)：輸入起點位姿區(qū)、輸入終點位姿區(qū)、輸出關(guān)節(jié)變量區(qū)、命令區(qū)和關(guān)節(jié)運動軌跡區(qū)。下面對窗體各個區(qū)設(shè)計過程和功能加以闡明。1位姿輸入?yún)^(qū)位姿輸入?yún)^(qū)有起點輸入和終點輸入兩個區(qū)，通過這兩個區(qū)域可以輸入機(jī)械手在起點和終點兩個時刻位姿參數(shù)，并將其讀入，準(zhǔn)備計算。界面控件如圖6-1所示。圖6-1位姿參數(shù)輸入界面2輸出關(guān)節(jié)變量角該區(qū)域是變量角值輸出區(qū)域，VB將由上述輸入?yún)^(qū)域中位姿參數(shù)通過計算得出各個關(guān)節(jié)變量角值顯示在相應(yīng)文本框中。3命令區(qū)域和關(guān)節(jié)軌跡區(qū)該區(qū)域是整個窗體控制區(qū)域，它涉及計算、軌跡規(guī)劃、輸出、寫入PLC、和清除5個命令控件。計算控件是執(zhí)行將從輸入?yún)^(qū)讀取位姿參數(shù)通過給定算法得出關(guān)節(jié)變量值，并輸出在輸出關(guān)節(jié)變量角區(qū)相應(yīng)文本框中；軌跡規(guī)劃控件是運用計算得來變量角值得出各關(guān)節(jié)軌跡表達(dá)式，并依照該表達(dá)式畫出軌跡曲線，在關(guān)節(jié)運動軌跡區(qū)顯示各關(guān)節(jié)軌跡圖，該控件在計算前，或在數(shù)據(jù)超過范疇時呈現(xiàn)灰色，不能對其進(jìn)行操作；寫入PLC控件是實現(xiàn)PC機(jī)與PLC通信；清除控件是對輸入、輸出區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行清除。6.4窗體運營1按計算控件，對輸入機(jī)械手起點和終點位姿參數(shù)進(jìn)行判斷，當(dāng)數(shù)據(jù)符合規(guī)定就會得出計算出并顯示關(guān)節(jié)變量角數(shù)值，同步，軌跡控制控件回到可控狀態(tài)，如圖6-2所示。圖6-2運營計算控件2運營軌跡規(guī)劃控件，輸出運動軌跡曲線，如圖6-3所示。該軌跡規(guī)劃控件在執(zhí)行計算之前顯灰色，不可用，只有通過計算，并得出輸入數(shù)據(jù)符合規(guī)定后該控件才干被操作。3.運營輸出控件將計算成果及圖形輸出。4.寫入PLC控件運營是將前一步輸出控制數(shù)據(jù)寫入PLC計數(shù)器中，以實現(xiàn)對機(jī)械手運動控制。5.清除控件執(zhí)行后是將整個界面上數(shù)據(jù)清空，為下次輸入數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。圖6-3軌跡曲線

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道謝在本次設(shè)計完畢之際，我一方面要感謝毛美姣教師多我諄諄教誨，感謝她每天陪伴咱們在實驗室，時刻為咱們解答疑團(tuán)，讓我再次感覺到大學(xué)教師并不是許多人想象中那樣可望不可及；相反，比起中學(xué)教師顯得更加和藹、平易近人，少了幾分嚴(yán)肅。她對工作嘔心瀝血，孜孜不倦追求精神和嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)態(tài)度永遠(yuǎn)值得咱們學(xué)習(xí)。在本次設(shè)計過程中，得到了譚志飛教師悉心指引，她一絲不茍治學(xué)態(tài)度使我受益匪淺。本次設(shè)計是在毛教師和譚教師耐心指引下才得以順利完畢，在此衷心感謝兩位教師，感謝她們給我輔導(dǎo)和協(xié)助，感謝她們給咱們提供了這樣好環(huán)境。

附錄=1\*ROMANI程序清單1、機(jī)械手控制程序梯形圖軌跡規(guī)劃界面VB程序如下：Dima2，a3，a4，PI，a，b，c，d，h，m，n，max，minAsDoublePrivateSubCommand1_Click()DimPx0，Py0，Pz0，α0，β0，γ0AsSingleDimθ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ234AsSingle，c3AsDoubleDimPx1，Py1，Pz1，α1，β1，γ1AsSingleDimθf1，θf2，θf3，θf4，θf5，θf234AsSingle，cf3AsDoublea2=228a3=228a4=73PI=3.141593Px0=Val(Text1.Text)Py0=Val(Text2.Text)Pz0=Val(Text3.Text)α0=Val(Text4.Text)β0=Val(Text5.Text)γ0=Val(Text6.Text)Px1=Val(Text7.Text)Py1=Val(Text8.Text)Pz1=Val(Text9.Text)α1=Val(Text10.Text)β1=Val(Text11.Text)γ1=Val(Text12.Text)Command3.Enabled=TrueIfSqr((Px0-Px1)*(Px0-Px1)+(Py0-Py1)*(Py0-Py1))>850ThenCommand3=FalseElseIfAbs(Pz0-Pz1)>600ThenCommand3.Enabled=FalseEndIfθ1=(180/PI)*(Atn(Py0/Px0))Text13.Text=Format(θ1，"####.###")θ5=(180/PI)*(Atn((Sin(θ1)*Cos(α0)*Cos(β0)-Cos(θ1)*Sin(α0)*Cos(β0))/(Sin(θ1)*(Cos(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)-Sin(α0)*Cos(γ0))-Cos(θ1)*(Sin(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)+Cos(α0)*Cos(γ0)))))Text17.Text=Format(θ5，"####.###")θ234=(180/PI)*(Atn((Cos(β0)*Sin(γ0))/(Cos(θ1)*(Cos(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)-Sin(α0)*Cos(γ0))+Sin(θ1)*(Sin(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)+Cos(α0)*Cos(γ0)))))c3=((Px0*Cos(θ1)+Py0*Sin(θ1)-Cos(θ234)*a4)*(Px0*Cos(θ1)+Py0*Sin(θ1)-Cos(θ234)*a4)+(Pz0-Sin(θ234)*a4)*(Pz0-Sin(θ234)*a4)-a2*a2-a3*a3)/(2*a2*a3)θ3=(180/PI)*(Atn(Sqr(Abs(1-c3*c3))/c3))Text15.Text=Format(θ3，"####.###")θ2=(180/PI)*(Atn(((Cos(θ3)*a3+a2)*(Pz0-Sin(θ234)*a4)-Sin(θ3)*a3*(Px0*Cos(θ1)+Py0*Sin(θ1)+Cos(θ234)*a4))/((Cos(θ3)*a3+a2)*(Px0*Cos(θ1)+Py0*Sin(θ1)+Cos(θ234)*a4)+Sin(θ3)*a3*(Pz0-Sin(θ234)*a4))))Text14.Text=Format(θ2，"####.###")θ4=θ234-θ2-θ3Text16.Text=Format(θ4，"####.###")θf1=(180/PI)*(Atn(Py1/Px1))Text18.Text=Format(θf1，"####.###")θf5=(180/PI)*(Atn((Sin(θf1)*Cos(α0)*Cos(β0)-Cos(θf1)*Sin(α0)*Cos(β0))/(Sin(θf1)*(Cos(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)-Sin(α0)*Cos(γ0))-Cos(θf1)*(Sin(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)+Cos(α0)*Cos(γ0)))))Text22.Text=Format(θf5，"####.###")θf234=(180/PI)*(Atn((Cos(β0)*Sin(γ0))/(Cos(θf1)*(Cos(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)-Sin(α0)*Cos(γ0))+Sin(θf1)*(Sin(α0)*Sin(β0)*Sin(γ0)+Cos(α0)*Cos(γ0)))))cf3=((Px1*Cos(θf1)+Py1*Sin(θf1)-Cos(θf234)*a4)*(Px1*Cos(θf1)+Py1*Sin(θf1)-Cos(θf234)*a4)+(Pz1-Sin(θf234)*a4)*(Pz1-Sin(θf234)*a4)-a2*a2-a3*a3)/(2*a2*a3)θf3=(180/PI)*(Atn(Sqr(Abs(1-cf3*cf3))/cf3))Text20.Text=Format(θf3，"####.###")θf2=(180/PI)*(Atn(((Cos(θf3)*a3+a2)*(Pz1-Sin(θf234)*a4)-Sin(θf3)*a3*(Px1*Cos(θf1)+Py1*Sin(θf1)+Cos(θf234)*a4))/((Cos(θf3)*a3+a2)*(Px1*Cos(θf1)+Py1*Sin(θf1)+Cos(θf234)*a4)+Sin(θf3)*a3*(Pz1-Sin(θf234)*a4))))Text19.Text=Format(θf2，"####.###")θf4=θf234-θf2-θf3Text21.Text=Format(θf4，"####.###")EndSubPrivateSubCommand3_Click()Dimm1，m2，m3，m4，m5，n1，n2，n3，n4，n5AsDoubleFrame6.Visible=True'關(guān)節(jié)1軌跡'取值a=Text13.Textb=Text18.Textc=10d=a+(3/(c*c))*(b-a)*(10*10)-(2/(c*c*c))*(b-a)*(10*10*10)IfVal(a)>Val(d)Thenm1=an1=dElsem1=dn1=aEndIfPicture1.Cls'清空畫圖區(qū)域Picture1.Scale(0，m1+(m1-n1)/5)-(12，n1)'設(shè)立畫圖區(qū)域依照需要進(jìn)行設(shè)立大小Picture1.ForeColor=&H0Picture1.DrawWidth=1'畫X軸'Picture1.Line(0，n1)-(5，n1)'標(biāo)記t軸Picture1.CurrentX=11.5Picture1.CurrentY=n1+(m1-n1)/10Picture1.Print"t"'畫Y軸Picture1.Line(0，n1-5)-(0，m1+(m1-n1)/5)'標(biāo)記Y軸Picture1.CurrentX=0.2Picture1.CurrentY=m1+(m1-n1)/5Picture1.Print"Y"'畫坐標(biāo)DimiAsSingleFori=1To10Picture1.CurrentX=i：Picture1.CurrentY=n1+(m1-n1)/10：Picture1.PrintiPicture1.Line(i，n1)-(i，n1+(m1-n1)/15)NextiDimjAsIntegerForj=1To5Picture1.Line(0，n1+(m1-n1)/5*j)-(0.1，n1+(m1-n1)/5*j)Picture1.CurrentX=0.1：Picture1.CurrentY=n1+(m1-n1)/5*j：Picture1.PrintFix(n1+((m1-n1)/5)*j)NextjPicture1.DrawWidth=2Picture1.Line(0，0)-(0，0)'歸零收筆'開始畫圖ForX=0To10Step0.001'0.001改小可以獲得更高精度Y=a+(3/(c*c))*(b-a)*(X*X)-(2/(c*c*c))*(b-a)*(X*X*X)'輸入函數(shù)可以寫入自己函數(shù)Picture1.CurrentY=(m1+n1)/2Picture1.CurrentX=0.5Picture1.PSet(X，Y)，vbRed'標(biāo)記X，Y軸NextPicture1.CurrentX=4Picture1.CurrentY=m1Picture1.Print"Y=θ1(t)"'將函數(shù)顯示在圖形上'關(guān)節(jié)2軌跡'取值a=Text14.Textb=Text19.Textc=10d=a+(3/(c*c))*(b-a)*(10*10)-(2/(c*c*c))*(b-a)*(10*10*10)IfVal(a)>Val(d)Thenm2=an2=dElsem2=dn2=aEndIfPicture2.Cls'清空畫圖區(qū)域Picture2.Scale(0，m2+(m2-n2)/5)-(12，n2)'設(shè)立畫圖區(qū)域依照需要進(jìn)行設(shè)立大小Picture2.ForeColor=&H0Picture2.DrawWidth=1'畫X軸Picture2.Line(0，n2)-(12，n2)'標(biāo)記t軸Picture2.CurrentX=