〔大学论文〕搬运机械手反解运动控制系统的设计(含word文档) .pdf
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1、目录目录 第一章 引言1 1.1 机械手的发展及应用1 1.2 机器人的分类3 1.3 工业机器人的发展现状以及在各国的产业发展及预测4 1.4 我国工业机器人发展现状及前景6 1.5 本论文的意义和研究内容6 第二章 机械手的结构和功能及基本技术参数. 8 2.1 机械手的结构和功能8 2.2 机械手的基本参数10 第三章 连杆坐标系间的变换矩阵.12 3.1 齐次坐标与手部位姿矩阵.12 3.2 连杆坐标系间的齐次变换矩阵的表示方法13 3.3 连杆坐标系间变换矩阵的确定13 第四章 机器人逆运动学 15 第五章 控制系统的设计 20 5.1 控制方式的确定.20 5.2 选择 PLC21
2、 5.2.1 PLC 规模的估算.21 5.2.2PLC 的选择22 5.3 可编程控制器(FX2N-64MR)结构功能介绍 23 5.4PLC 的外部接线.23 5.5 位置检测电路23 5.6 输入输出接口电路25 5.6.1 输入接口电路. 25 5.6.2PLC 输出接口电路25 5.7 控制软件的设计.27 5.8 梯形图及指令语句28 结论与展望. 29 参考文献.30 致 谢31 附 录 132 附 录 233 附 录 337 外文翻译.39 外文文献.46 搬运机械手反解运动控制系统的设计搬运机械手反解运动控制系统的设计 (湘潭大学机械工程学院周六军) 摘要摘要:本文采用可编程
3、控制器(PLC)对一五自由度搬运机械手的反解运动进行控制。根据机 器人的位姿, 用机器人反向运动学求出各个关节应转动的角度, 通过传动比和各轴分辨 率得到各对应电机的转角。 然后利用光电编码器对直流电机的转轴转角进行检测,并对 机械手的 5 个直流伺服电机进行正反转控制, 从而实现了电机转轴的准确定位和机械手 的运动控制。 关键字关键字:机械手;反向运动学;编码器;PLC TheTheTheThe DesignDesignDesignDesign ofofofof ConveyerConveyerConveyerConveyer MMMManipulatoranipulatoranipulat
4、oranipulator C C C Counter-solutionounter-solutionounter-solutionounter-solution MMMMovementovementovementovement C C C Controlontrolontrolontrol S S S Systemystemystemystem (Xiangtan(Xiangtan(Xiangtan(Xiangtan universityuniversityuniversityuniversity mechanicalmechanicalmechanicalmechanical enginee
5、ringengineeringengineeringengineering instituteinstituteinstituteinstitute ZhouZhouZhouZhou LiujunLiujunLiujunLiujun) ) ) ) AbstractAbstractAbstractAbstract:This article adopts programmable controller(PLC) to control the anti-solution motion of a five freedom convey manipulator . According to the po
6、se of robot ,using robot reverse kinematics solve for angle each arthvosis should turned , therebysolve for correspond corner of each motor withgear ratio andeach shaft resolution.And then using photoelectric encoder detect the shaft corner of D.C.motor,and control the forward and reverse rotate of
7、five DC servo motor on the manipulator . Accordingly, implement the pinpoint of the mortor shaft and the motion control of the manipulator . KeyKeyKeyKey wordswordswordswords:Manipulator; Reverse Kinematics; Encoder; PLC 第一章第一章 引言引言 “工欲善其事,必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的 过程中,不断地创造出各种各样为人类服务的工具,其中许多具有划时代
8、意义。作为 20 世纪自动化领域的重大成就,机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世 间万物,人力是第一资源,社会进步是历史的必然,科学技术是第一生产力,就像其 它科学技术的发明发现一样,机器人已经渐渐成为人类的好助手、好朋友。 作为机器人发展过程中的一个很重要的环节,机械手是在机械化、自动化生产过 程中发展起来的一种新型装置。 近年来, 随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用, 机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术, 它更加促进 了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 1.11.1 机械手的发展及应用机械手的发展及应用 20 世纪 4
9、0 年代中后期,机器人的研究与发明得到了更多人的关心与关注。20 世纪 50 年代以后, 美国橡树岭国家实验室开始研究能搬运核原料的遥控操纵机械手, 如图 1.1 所示1。 图 1.1主从型遥控操纵机械手 这是一种主从型控制系统,系统中加入力反馈,可使操作者获知施加力的大小, 主、从机械手之间有防护墙隔开,操作者可通过观察窗或闭路电视对从机械手操作机 进行有效的监视, 主、从机械手系统的出现为机器人的产生以及近代机器人的设计与 制造作了铺垫。此后,美国的戴沃尔(Ceorge.G.Devol)设想了一种可控制的机械手。 1954 年,他依据这一想法设计制作了世界上第一台机器人实验装置,发表了“适
10、用 于重复作业的通用性工业机器人”一文,并获得了美国专利。 戴沃尔在此后还设计了一种可以接受示教而完成各种简单的重复动作的机器人。 在任务的执行过程中,机器人的各个关节在伺服驱动下依次再现上述位置,故这种机 器人的主要技术功能被称为可编程和示教-再现功能。1959 年第一台工业机器人在美 国诞生,开创了机器人发展的新纪元。当今机器人技术正逐渐向着具有行走能力、 多 种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的方面发展。 美国贝尔科尔公司已成功 地将神经网络装配在芯片上,其分析速度比普通计算机快千万倍,可更快、更好地完 成语言识别、图像处理等工作1。 目前, 美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于
11、领先地位,而日本生产的机器 人在数量、种类方面则居世界首位。机器人技术的发展推动了机器人学的建立,许多 国家成立了机器人协会,美国、日本、英国、瑞典等国家设立了机器人学学位。20 世纪 70 年代以来,许多大学开设了机器人课程,开展了机器人学的研究工作,如美 国的 MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell、Purdue、University of California 等大学都是研究机器人学富有成果的著名学府。随着机器人学的发展,相关的国际学 术交流活动也日渐增多,目前最有影响的国际会议是 IEEE 每年举行的机器人学及自 动化国际会议,此外还有国际工业机
12、器人会议(ISIR)和国际工业机器人技术会议 (CIRT)等。出版的相关期刊有“Robot Today”、 “Robotics Research”、 “Robotics and Automation”等多种1。 在当今这个新型工业化时代, 机械手已逐步的被用于工业生产各个行业中,以下 是两种非常典型的工业机械手(如图 1.2、图 1.3)。 图 1.2点焊机器人 图 1.3PUMA 700 机器人 机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但从外形来看,它和人的手臂相似,是由 一系列刚性连杆通过一系列柔性关节交替连接而成的开式链。 它具有能不断重复工作 和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手
13、大等特点。机器人的研究、 开 发和应用涉及多刚体动力学、机构学、机械设计、传感技术、电气液压驱动、控制工 程、智能控制、计算机科学技术、人工智能和仿生学等学科,机器人技术是一门跨学 科的综合性技术, 机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。当代对机 器人的研究十分活跃,应用日益广泛的领域。例如: (1) 机床加工工件的装卸,特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛,在电子行业中它可以用来装配印制电路板,在机械 行业中它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差,单调重复易子疲劳的工作环境工作,以代替人的劳动。 (4) 可在危险场合下工作,如军工品的
14、装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5) 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。 随着工业的发展,科学技术不断进步,机器人学的不断完善,工业机器人成了可 编程序的机电一体化的装置,在操纵控制下能按规定的程序完成一定的工作,更具有 记忆,示数,再现等仿人功能,因此它已经成为柔性制造系统(FMS),自动化工厂 (FA),计算机集成制造系统(CIMS)的自动化工具2。 1.21.2 机器人的分类机器人的分类 根据不同的标准,机器人也相应有不同的种类。工业机器人的机械结构部分可看 作是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节,即转动关节和移动关节。 连 杆和关节按不同的坐标
15、形式组装,机器人可分为五种:直角坐标型机器人、圆柱坐标 型机器人、球坐标型机器人、关节型机器人和并联机器人,本论文中控制的对象为一 五自由度的关节型机械手,它属于关节型机器人中的一个典型。关节坐标型机器人主 要由立柱、前臂和后臂组成(图1.4),PUMA机器人是其代表。 图1.4 关节型机器人 机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成,其结构最紧凑,灵活性大, 占地面积最小,工作空间最大,能与其他机器人协调工作,避障性好,但位置精度较 低,有平衡问题,控制存在耦合,故比较复杂,这种机器人目前应用得最多1。 1.31.3 工业机器人的发展现状工业机器人的发展现状以及在各国的产业发展及预测以及
16、在各国的产业发展及预测 机器人是最典型的机电一体化装备,技术附加值很高,应用范围很广,作为先进 制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业, 将对未来生产和社会发展起越来越重要 的作用。国外专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的新的大型高技术产 业。据UNECE(联合国欧洲经济委员会)和IFR(国际机器人联合会)统计,从20世纪下半 叶起,世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头,80年代工业机器人进入发展 中期,汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人,推动了机器人产业的发展。工业 机器人的应用满足了人们特性化的要求,产品的批量越来越大,品种越来越多,而且 产品的一致性也大大提高,为商家
17、占有了更多的市场份额,获得了更多的市场利润。 90年代初期, 工业机器人的生产与需求达到了一个技术成熟期,1990年世界上新装备 工业机器人80943台,1991年装备了76443台,到1991年底世界上已有53万台工业机器 人工作在各条战线上。进入90年代,机器人产品发展速度加快,年销售量增长率平均 在10左右;2004年增长率达到了创记录的20 ,其中,亚洲机器人增长幅度最为 突出,增长43 ,如图1.5所示。 数据来源:UNECEHE 和 IFR 注 1:其中日本在 2000 年以前的统计数据,包括了所有机器人的数目,与各国数据缺乏可 比性。 注 2:韩国的数据包括了所有类型的工业机器人
18、,与各国的数据缺乏可比性。 图 1.5 2003 年制造业中每 1 万名雇员拥有工业机器人的数量4 UNECE 估计,2004 年全球至少安装了 10 万台新的工业机器人。其中: 欧盟 31 100 台(比 2003 年增加 15%,但比 2001 年的记录仅增加 1%) ; 北美 16 100 台(比 2003 年增加 27%,比 2000 年的记录高 24%) ; 亚洲 51 400 台,主要在日本,但中国市场增长迅速(比 2003 年增长 24%) 。 以下我们还可以从表 1.1 中的数据了界工业机器人在各国的产业发展与预测。 表 1.1全球工业机器人年度安装量和年运行总量及 2007
19、年的预测数(单位:台)3 国家或地区 年度安装量运行总量 2002 年2003 年2007 年2002 年2003 年2007 年 日本253733158841300350169348734349400 美国99551269315900103515112390145100 欧盟260962711434400233769249200325900 其他欧洲国家5829221300110091140914200 亚洲/澳洲512366958900604276541978500 其他国家146627644500442161362027200 总计(除日,韩)3924445528587003756714
20、04193590900 总计(包括日,韩)6859581776106300770105800722997700 数据来源:UNECE 和 IFR 注:日韩的统计口径和其他国家有所出入。 从近几年世界机器人推出的产品来看, 工业机器人技术正在向智能机器和智能系 统的方向发展, 其发展趋势主要为结构的模块化和可重构化,控制技术的开放化、 PC 化和网络化,伺服驱动技术的数字化和分散化,多传感器融合技术的实用化,工作环 境设计的优化和作业的柔性化,以及系统的网络化和智能化等方面。 UNECE 和 IFR 预测,至 2007 年,全球运行的工业机器人总量将从 2003 年的 800 772 台,增长至
21、 2007 年的 997 700 台,年平均增长 5.6。其中,日本年度工业 机器人总量将从 2003 年的 348 734 增长至 2007 年的 349 400 台,年平均增长 0.048 ;欧洲将从 2003 年的 249 200 台增长至 2007 年的 325 900 台,年平均增长 6.9; 美国从 2003 年的 112 390 台增长到 2007 年的 145 100 台,年平均增长 6.6。 全球新安装机器人的数量从 2003 年的 81 776 台增至 2007 年的 106 00 台,年平 均增长 6.7%。 其中, 日本工业机器人的年度安装量将从 2003 年的 31
22、577 增长至 2007 年的 41 300 台, 年平均增长 6.9%; 欧洲将从 2003 年的 27 114 台增长至 2007 年的 34 400 台,年平均增长 6.1%;美国从 2003 年的 12 693 台增长至 2007 年的 15 900 台, 年平均增长 5.8%5。 1.41.4 我国工业机器人发展现状及前景我国工业机器人发展现状及前景 我国的机器人技术起步较晚,约于 20 世纪 70 年代末、80 年代初开始。以后的 20 多年中,在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前 沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。从近几年来看,我国已经有很多单位和企
23、 业已经着手机器人的研究和开发, 已经研究出多种型号的机器人。我国工业机器人经 过二十多年的发展已经在产业化的道路上迈出了新的步伐。近几年,我国工业机器人 以及包含工业机器人的自动化生产线和工程项目、相关产品的年销售额已经超过 3 亿元。国家“863”计划当中,我国的工业机器人已经广泛的应用于汽车、电子行业 当中,其发展水平也已经逐步接近世界先进水平,相信以目前的发展水平会在不久的 将来赶上各先进国家的步伐。 1.1.5 5 论文的意义和研究内容论文的意义和研究内容 机器人技术是近30年来迅速发展起来的一门综合学科。它综合了力学、机构学、 机械设计学、计算机工程、自动控制、传感技术、电液驱动技
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