目 錄 1 目的及基本要求 0 2 編程基礎(chǔ)練習(xí) 1 2 1 正弦波發(fā)生器 1 2 2 前面板 后面板之間的切換 1 2 3 求三個數(shù)的平均值 2 2 4 溫度監(jiān)測器 3 3 蝴蝶圖設(shè)計原理 5 3 1 機器人手臂基本原理 5 3 2 設(shè)計要求 9 3 3 設(shè)計步驟 9 4 機器人手臂的設(shè)計和仿真 9 4 機器人設(shè)計前面板 9 4 2 蝴蝶圖的程序面板設(shè)計 10 4 3 在設(shè)計過程中遇到的問題 12 5 結(jié)果及性能分析 12 5 1 機器人手臂的運行結(jié)果 12 5 2 性能分析 13 6 參考文獻 14 1 目的及基本要求 熟悉 LabVIEW 開發(fā)環(huán)境 掌握基于 LabVIEW 的虛擬儀器原理 設(shè)計方法和 實現(xiàn)技巧 運用專業(yè)課程中的基本理論和實踐知識 采用 LabVIEW 開發(fā)工具 實 現(xiàn)機器人手臂設(shè)計和仿真 要求首先完成 LabVIEW 基礎(chǔ)程序練習(xí) 之后完成機器 人手臂設(shè)計程序給出運行結(jié)果 2 編程基礎(chǔ)練習(xí) 2 1 正弦波發(fā)生器 圖 1 練習(xí)1的前面板 圖 2 練習(xí)1的程序框圖 2 2 前面板 后面板之間的切換 任意放置幾個控件在前面板 改變它們的位置 名稱 大小 顏色 在 VI 前面板和后面板之間進行切換 并排排列前面板和后面板窗口 圖 3 練習(xí)2的前面板 圖 4 練習(xí)2的程序框圖 2 3 求三個數(shù)的平均值 要求對三個輸入控件等間隔并右對齊 對應(yīng)的程序框圖控件對象也要求如 此對齊 添加注釋 分別用普通方式和高亮方式運行程序 體會數(shù)據(jù)流向 單步執(zhí)行一遍 圖 5 練習(xí)3的前面板 圖 6 練習(xí)3的程序框圖 2 4 溫度監(jiān)測器 當(dāng)溫度超過報警上限 而且開啟報警時 報警燈點亮 溫度值可以由隨即 數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生 圖 7 練習(xí) 4 的前面板 圖 8 練習(xí) 4 的程序框圖 3 蝴蝶圖設(shè)計原理 3 1 機器人手臂基本原理 3 1 1 機器人的構(gòu)成與分類 現(xiàn)在的一個機器人系統(tǒng) 一般由機械手 環(huán)境 任務(wù) 控制器四個相互作用 的部分組成 其簡化形式為下圖 9 所示 任務(wù) 控制器 執(zhí)行機構(gòu) 環(huán)境 外 傳 感 器 信 息 外傳感器信息 圖 9 機器人系統(tǒng)框圖 機器人的分類方法很多 按機械手的幾何結(jié)構(gòu)來分 機器人可分為 柱面坐 標(biāo) 球面坐標(biāo) 關(guān)節(jié)球面坐標(biāo)機器人 若按機器人的控制方式來分 機器人可 分為 非伺服和伺服機器人兩種 若按機器人控制器的信息輸入方式分 可分 為手動 遙控 智能的機器人 3 1 2 機器人的坐標(biāo)變換 在描述物體 如零件 工具或機械手 間關(guān)系時 要用到位置矢量 平面和 坐標(biāo)系等 例如用 3 1 的位置矢量來確定空間內(nèi)任何一點的位置 即對于直角 坐標(biāo)系 A 空間內(nèi)任何一點 P 的位置可用 3 1 的陣列矢量表示 AP px py pz T 空間物體 B 的方位 Orientation 可由某個固接于此物體的坐標(biāo)系 B 的三 個單位主矢量 xB yB zB 相對于參考坐標(biāo)系 A 的方向余弦組成的 3X3 矩陣描述 即 3 1 3 平移變換 坐標(biāo) A 和 B 有相同的方位 但原點不重合 則點 P 在兩個坐標(biāo)系中的位置 矢量滿足下式 變換圖如圖 10 圖 10 平移變換 3 1 4 旋轉(zhuǎn)變換 坐標(biāo)系 A B 有相同的原點但方位不同 則點 P 的在兩個坐標(biāo)系中的位置矢 量有如下關(guān)系 旋轉(zhuǎn)圖示如圖 11 圖 11 旋轉(zhuǎn)變換 給出任意旋轉(zhuǎn)變換 能夠由下式求得進行等效旋轉(zhuǎn) 角的轉(zhuǎn)軸 即 如一坐標(biāo)系 B 與參考系重合 現(xiàn)將其繞通過原點的軸 f 0 707 0 707 0 T 轉(zhuǎn) 30 度 3 1 5 機器人的運動學(xué) 機械手是一系列由關(guān)節(jié)連接起來的連桿構(gòu)成的 將為機械手的每一個連桿建 立一個坐標(biāo)系 并用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系間的相對位置和姿態(tài) 若 A1 表示第一連桿對基坐標(biāo)的位姿 A2 表示第二連桿對第一個連桿的位姿 則第二個連桿對基坐標(biāo)的位姿為 T2 A1A2 3 1 6 機器手的運動方向 如右圖為機器人的夾持器 設(shè) 接近矢量 a 夾持器進入物體的方向 z 軸 方向矢量 o 指尖互相指向 Y 軸 法線矢量 n 指尖互相指向 x 軸 夾持器的關(guān)節(jié)為第六個 即位姿為 T6 則 3 1 7 運動位置和坐標(biāo) 用柱面坐標(biāo)表示末端運動位置 則沿 x 平移 r 繞 z 軸轉(zhuǎn) a 沿 z 軸平移 z 的方程為 即 3 1 8 機器人的動力學(xué) 機器人的動力學(xué)是研究機器人的動力特性與力的關(guān)系 具體來說是研究兩類 問題 1 動力學(xué)正問題 已知機械手各關(guān)節(jié)的作用力或力矩 求各關(guān)節(jié)的位移 速度 加速度 運動軌跡 2 動力學(xué)逆問題 已知機械手的運動軌跡 即各關(guān) 節(jié)的位移 速度 加速度 求各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力和力矩 簡單舉例推到動力學(xué)方程 若兩連桿機器人如下圖所示 則對于連桿一 對于連桿二 二桿動能和勢能分別為 系統(tǒng)的總動能和勢能及拉格朗日函數(shù)分別為 分別求得 帶入拉格朗日函數(shù)即可求得動力學(xué)方程 3 2 設(shè)計要求 手臂應(yīng)滿足下列要求 A 自由伸縮 B 自由 360 度旋轉(zhuǎn) C 有關(guān)節(jié) 具有一定的握力 D 界面美觀簡潔 程序應(yīng)符合工程化思想 E 設(shè)計文檔符合軟件文檔國標(biāo) 3 3 設(shè)計步驟 編輯前面板 LabVIEW 中的前面板是圖形化的人機界面 利用控件選項板 提供的各種控件合理放置 3D Picture Control 模塊 rebot tree 模塊 建立項 目模塊和 joints 模塊 輸入控件 Controls 和顯示控件 Indicator 利用輸入控件可以輸入 相應(yīng)的數(shù)據(jù) 例如數(shù)字 布爾量 字符串和文件路徑等 前面板中的一些控件既 可以作為輸入控件也可以做作為顯示控件 右擊控件 選擇 Change to Indicator 或 Change to Control 可以進行輸入控件與顯示控件之間的切換 更改控件屬性 編輯程序框圖 進行對象連線 運行 VI 調(diào)試 VI 在后面板中通過連線 放置運算符函數(shù)等完成各模塊間的控制與聯(lián)系 病 重新排列各個控件的位置 使界面美觀 易懂 4 機器人手臂的設(shè)計和仿真 4 1 機器人設(shè)計前面板 圖 12 機器人設(shè)計的前面板 4 2 蝴蝶圖的程序面板設(shè)計 程序框圖相當(dāng)于程序的源代碼 只有創(chuàng)建了程序框圖后 該程序才能真正運 行 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計 所以整個系統(tǒng)軟件層次清晰 易于理解 便于修 改 利于開發(fā)新功能 圖 13 蝴蝶圖設(shè)計的程序框圖 圖 14 robot tree 程序框圖 圖 15 picture control 程序框圖 圖 16 joint 程序框圖 4 3 在設(shè)計過程中遇到的問題 在設(shè)計過程中 發(fā)現(xiàn)自己對很多控件不熟悉 找不到其位置 其次 對控 件的功能認識不夠 導(dǎo)致連線屢屢出現(xiàn)錯誤 當(dāng)程序編寫完成后 不能運行 經(jīng)仔細尋找錯誤才發(fā)現(xiàn) 函數(shù)是在漢語狀態(tài)下輸入的 改正后終于得到了想要 的結(jié)果 在前面板的設(shè)計過程中 想使用一些修飾控件 可每次都把波形覆蓋 后來才知道要把它設(shè)為移至后面狀態(tài) 還有 開始對波形圖的了解也不夠 比 如網(wǎng)格的設(shè)置等等 不過 通過向同學(xué)學(xué)習(xí) 向老師請教 這些問題都迎刃而 解 蝴蝶圖的設(shè)計 讓我對虛擬儀器軟件的使用更加熟悉 5 結(jié)果及性能分析 5 1 機器人手臂的運行結(jié)果 運行 VI 單擊前面板或程序框圖工具欄中的運行按鈕 圖 17 機器人手臂的運行結(jié)果 5 2 性能分析 通過改變前面板點數(shù)中的參數(shù)大小來改變機器人手臂的形狀 圖 21 前面板中點數(shù)的參量 6 參考文獻 1 labview 入門與提高 趙品編著 人民郵電出版社 2000 11 2 labview 高級應(yīng)用 趙品編著 人民郵電出版社 2000 11 3 labview 印刷電路板設(shè)計教程 肖玲妮編著 清華大學(xué)出版社 2003 8 4 labview 完全自學(xué)手冊 龍馬工作室編著 人民郵電出版社 2005 10 2 5 labview 虛擬儀器數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應(yīng)用實戰(zhàn) 李江全編著 人民郵 電 出版社 2005 10 6 labview 大學(xué)實用教程 Jeffrey Travis 編著 人民郵電出版社 2008 7 labview 程序設(shè)計教程 江建軍編著 電子工業(yè)出版社 2008 8 虛擬儀器設(shè)計 詹惠琴等編著 高等教育出版社 2008