机械毕业设计1276三自由度机械手运动学可视化求解研究.docx
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机械毕业设计1276三自由度机械手运动学可视化求解研究
第1章绪论
1.1课题研究背景
虚拟仪器软件Labview在运动计算方面的研究起步较晚,在很多高端技术甚至低端技术领域都没有自己的研发设计知识产权。
但伴随着我国国民经济的持续快速发展以及不断地加大这方面的投入,加快了虚拟控制在机械运动技术方向的升级步伐,得以在机械手运动分析、教学机器人运动控制等方面以极高的速度在国内发展,为机械手运动控制及分析的普及奠定了良好的基础。
因此在虚拟运动学研究分析领域存在巨大的发展潜力。
利用虚拟仪器软件在机械手运动方面国外发展的是比较早的,虚拟控制机械手运动融合了计算机强大的硬件资源,突破了传统控制仪器在数据处理、分析、显示、等方面的限制,大大增强了虚拟仪器在不同方面及领域的功能。
图形化语言能够实现系统简单,构建灵活,层次体系明晰等特点。
利用它可以方便的建立自己所需的各种界面,其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。
使用图形化语言编程时,不用写编程代码,取而代之的是流程图。
从而能够大大降低了工作的时间和难度。
利用计算机丰富的软件资源,现在已经实现了部分仪器硬件的软件化,节省了物质资源,增加了系统的灵活性;通过软件技术和相应的数值算法,实时,直接的对测试数据进行各种分析与处理;通过图形用户界面技术,真正做到界面友好,人机交互。
虚拟仪器软件具有开放性,模块化,可重复使用及互换性等特点。
用户根据自己的需要,选用软件中的各种模块进行自己所需要的运动分析采集等功能,使仪器系统的适用范围更为灵活,覆盖面更广,缩短了系统组建时间。
作为现代运动分析控制的发展方向,虚拟控制已迅速发展成为一种新的产业。
1.2机械手运动学可视化求解研究的目的和意义
机械手可视化技术的研究可以帮助学习对机器人运动学的深入了解,减少分析和学习的时间,更快的理解机械手运动学的基本内容和研究难点,正逆运动学求解的可视化算法主要是通过数值计算的方法快速的对任意结构的三自由度机械手进行求解,并将求解结果可视化,有效的判断正逆解的合理性,同时为机器人运动学的学习提供了辅助工具。
Pieper最早提出含有3个相邻关节轴互相垂直或平行的三自由度机器人可以求正逆运动学封闭解,求解的过程被简化为计算正逆jacobin矩阵求解任意结构三自由度机器人的运动学方程,但该方法需要数值求解3个非线性方程,不仅计算量大,而且会产生不符合实际物理约束的多余解。
而其他的常见的计算方法如,解析法,几何法,迭代法,图解法,几何—解析法对于本文的求解方法均有一定的缺点,不利于学习和研究的简单方便性,本文介绍的求解方法建立在3自由度运动学求解的基础上,将三自由度机器人正逆求解过程简化为计算两个非线性方程,并且利用D-H参考表产生机器人模型利用解的可视化来判断解的有效性,排除不合理的解。
采用Labview的编程可视化求解的方法能够克服图解,解析等方法对空间范围等要求的限制,更加简单直观的反映机械手的运动范围和空间姿态,对末端执行机构的位姿正确准确性提供了一定的保障。
机械手操作臂可以看成一个开式运动链,它是由一系列连杆通过转动或移动关节串连而成。
开链的一端固定在基座上,另一端是自由的,安装着工具(或称末端执行器),用以操作物体,完成各种作业。
对于给定的一个机械手,已知杆件几何参数和关节变量,求解末端执行器相对于给定坐标系的位置和姿态,被称为运动学正问题;已知机器人杆件的几何参数,给定末端执行器相对于总体坐标系的位置和姿态,来求解机械手各个关节的变量大小,被称为运动学逆问题。
科学计算可视化就是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来。
如何把机械手运动学正问题和逆问题用界面的形式清晰、直观地表达出来就是本文研究的重点。
此界面既加快了机械手正、逆解求解速度,也为机械手的控制奠定了基础。
1.3设计内容
可视化就是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来。
如何把机器人运动学正问题和逆问题用界面的形式清晰、直观地表达出来就是本文研究的重点。
利用Solidworks三维软件建立机器人手臂模型后。
再建立各个关节的坐标系,并给出机器人手臂各连杆参数、各关节变量初始值及其变化范围。
运用机器人正、逆解的求解方法在可视化界面里做出机器人手臂的可视化正、逆解,并通过Labview中的视觉运动模块建立联合仿真控制模型的运动,最后通过末端执行器的空间位置姿态验证可视化界面显示结果的正确性。
主要内容如下:
1.使用三维软件Solidworks建立关节机器人手臂的三维模型,确定模型的各关节尺寸,并记录这些参数。
此关节机器人手臂由两个移动关节和一个转动关节组成,能够完成XYZ三个方向的运动,使得手臂更具灵活性和运动范围的广义性,同时最重要的是也使得图形化编程过程更为简单化。
2.可视化界面的制作是本文的工作重点,主要解决的是以下两个问题:
(1)可视化求解界面程序编写。
根据此机器人手臂模型及其正、逆解的流程图,应用Labview编写程序,做出了正、逆解的可视化求解界面。
(2)可视化求解界面的使用。
当点中正解的时候,可以输入角度值,坐标变换矩阵中的位置和方向变换矢量数值。
当点中逆解的时候,输入坐标变换矩阵中的位置变矢量和方向变换矢量,点击“计算”。
3.Solidworks创立的三维机械手臂模型与Labview中具有的视觉与运动模块进行联合仿真,通过Labview中的图形化编程控制模型的末端执行机构的空间姿态和位置,从而验证可视化界面编程的正确与否。
1.4设计拟解决的问题
三自由度机器人手臂模型的建立和Labview编程设计的可视化求解界面的创立是本课题的两个独立的基础部分,最主要的部分是解决如何建立两个软件或者说是两个程序之间的联系是最为重要的,也是其课题研究关键步骤所在,所以只有解决Labview图形化编程控制与Solidworks三维模型如何建立联系这个问题才能更好的进行联合仿真,达到预期的效果。
综上所述需要解决的问题如下:
(1)Labview与Solidworks联合仿真的建立。
(2)可视化界面程序编写。
第2章三自由度机械手模型设计
2.1三自由度机械手模型设计软件的介绍
Solidworks软件功能强大,组件繁多。
Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是Solidworks的三大特点,使得Solidworks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。
Solidworks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
Solidworks不仅提供如此强大的功能,同时对每个工程师和设计者来说,操作简单方便、易学易用。
对于熟悉微软的Windows系统的用户,基本上就可以用Solidworks来搞设计了。
Solidworks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。
Solidworks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器,用它可以方便地管理CAD文件。
使用Solidworks,用户能在比较短的时间内完成更多的工作,能够更快地将高质量的产品投放市场。
在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中,Solidworks是设计过程比较简便而方便的软件之一。
美国著名咨询公司Daratech所评论:
“在基于Windows平台的三维CAD软件中,Solidworks是最著名的品牌,是市场快速增长的领导者。
”在强大的设计功能和易学易用的操作(包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴)协同下,使用Solidworks,整个产品设计是可百分之百可编辑的,零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
以下介绍是本论文所用到的模块及插件。
1、Solidworks模块简介:
在Solidworks软件里有零件建模、装配体、工程图等基本模块,因为Solidworks软件是一套基于特征的、参数化的三维设计软件,符合工程设计思维,并可以与CAMworks及Designwork等模块构成一套设计与制造结合的CAD/CAM/CAE系统,使用它可以提高设计精度和设计效率;可以用插件的形式加进其他专业模块(如工业设计、模具设计、管路设计等)。
其特征是指可以用参数驱动的实体模型,是一个实体或者零件的具体构成之一,对应一形状,具有工程上的意义;因此这里的基于特征就是零件模型是由各种特征生成的,零件的设计其实就是各种特征的叠加。
参数化是指对零件上各种特征分别进行各种约束,各个特征的形状和尺寸大小用变量参数来表示,其变量可以是常数,也可以是代数式;若一个特征的变量参数发生变化,则这个零件的这一个特征的几何形状或者尺寸大小将发生变化,与这个参数有关的内容都自动改变,用户不需要自己修改。
零件建模、装配体、工程图等基本模块的特点:
(1)零件建模:
Solidworks提供了基于特征的、参数化的实体建模功能,可以通过特征工具进行拉伸、旋转、抽壳、阵列、拉伸切除、扫描、扫描切除、放样等操作完成零件的建模。
建模后的零件,可以生成零件的工程图,还可以插入装配体中形成装配关系,并且生成数控代码,直接进行零件加工。
(2)装配体:
在Solidworks中自上而下生成新零件时,要参考其他零件并保持这种参数关系,在装配环境里,可以方便地设计和修改零部件。
在自下而上的设计中,可利用已有的三维零件模型,将两个或者多个零件按照一定的约束关系进行组装,形成产品的虚拟装配,还可以进行运动分析、干涉检查等,因此可以形成产品的真实效果图。
(3)工程图:
利用零件及其装配实体模型,可以自动生成零件及装配的工程图,需要指定模型的投影方向或者剖切位置等,就可以得到需要的图形,且工程图是全相关的,当修改图纸的尺寸时,零件模型,各个视图、装配体都自动更新。
2、SolidworksMotion插件简介:
(1)【动画】在核心Solidworks内使用。
可使用【动画】来表达和显示装配体的运动:
通过添加马达来驱动装配体中一个或多个零件的运动。
通过设定键码点在不同时间规定装配体零部件的位置。
动画使用插值来定义键码点之间零部件的运动。
(2)【基本运动】在核心Solidworks内使用。
可使用【基本运动】在装配体上模仿马达、弹簧、碰撞和引力。
【基本运动】在计算运动时考虑到质量。
【基本运动】计算相当快,所以可将其用来生成使用基于物理模拟的演示性动画。
(3)【Motion分析】在SolidworksPremium的SolidworksMotion插件中使用。
可利用【Motion分析】功能对装配体进行精确模拟和运动单元的分析(包括力、弹簧、阻尼和摩擦)。
【Motion分析】使用计算能力强大的动力学求解器,在计算中考虑到了材料属性和质量及惯性。
还可使用【Motion分析】来标绘模拟结果供进一步分析。
用户可根据自己的需要决定使用三种算例类型中的哪一种:
【动画】:
可生成不考虑质量或引力的演示性动画。
【基本运动】:
可以生成考虑质量、碰撞或引力且近似实际的演示性模拟动画。
【Motion分析】:
考虑到装配体物理特性,该算例是以上三种类型中计算能力最强的。
用户对所需运动的物理特性理解的越深,则计算结果越佳。
3、Solidworks的优点:
(1)全Windows界面,操作便捷。
(2)强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能
(3)快速生成符合GB的工程图,可以为三维模型自动产生工程图,包括视图、尺寸和标注。
灵活多样的视图操作,可以建立各种类型的投影视图、剖面视图和局部放大图。
2.2三自由度机械手模型结构的确定
常见的机械手根据手臂的运动形态,按坐标形式大致可分为四种,
(1)直角坐标型机械手;
(2)圆柱坐标型机械手;(3)球坐标机械手;(4)多关节型机械手。
其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度高,因此采用圆柱坐标型。
圆柱坐标型机械手结构如下图所示,由机械手手爪
(1),丝杠组
(2),机架(3),旋转基座(4)等组成见图2.1所示。
图2.1机械手结构
其运动控制方式为:
三自由度机械手圆柱坐标型。
末端执行器(机械手手爪)的运动控制主要由动力源(步进电机)带动螺杆的转动,再由螺杆的旋转运动转化为机械手的直线运动,最后通过与模型底座连接的机架作旋转运动的配合使机械手达到最终要求的空间位置。
模型各部分零件确定
由于模型创建软件Solidworks需要与Labview进行后文的联合仿真制作等相关的要求,这就对软件版本有了一定的要求,越新的版本对仿真的制作设计越有利,本论文选用下图所示的Solidworks2010版本。
1、打开软件Solidworks2010版本点击文件—新建—出现图2.2所示内容。
图2.2新建零件
2、点击零件进入零件设计界面绘制如图2.3至图2.11所示的所有模型零件。
图2.3零件设计主界面
图2.4模型底座
图2.5升高架
图2.6模型支架
图2.7模型上下移动支杆
图2.8模型左右移动支杆
图2.9模型升降螺杆
图2.10模型手爪
图2.11模型动力源
3、创建完成上面所有零件后进行装配体的组装,点击装配体进入Solidworks2010装配体界面进行零件的组装,如图2.12所示。
图2.12新建装配体
4、完成的装配体如图2.13所示。
图2.13装配体
5、上图截图左边内容为模型所有配合关系,详细配合关系如图2.14所示。
图2.14装配关系
6、需要注意螺杆的配合及参数设置,图2.15这一设置对后面做运动分析时电机添加及运动方式有直接的影响,此步骤比较重要。
图2.15螺杆配合参数
2.3三自由度机械手装配体运动分析的建立
1、点击最右侧带三角符号图标,如图2.16所示。
图2.16运动分析初始界面
2、激活运动分析Motion分析插件,将其前后的“√”全都选上,单独选择Motion分析插件前面的“√”号在每次运行分析时都要进行插件安装这一步比较麻烦,所以将前后的“√”号都选中,点击确定插件安装完成。
如图2.17所示。
图2.17运动分析插件
3、安装完成后点击工具栏上的“新建运动算例”出现图2.18所示内容。
图2.18运动算例
4、为装配体模型添加“电机”作为模型运动的动力源,设定运动参数在“运动(M)”下拉选项中选择距离并设置运动距离和时间,“马达8”和“马达9”设置方式基本一样,“马达10”的“零部件/方向(D)”这项设置需要注意,如图2.19至图2.21所示。
图2.19马达8参数
图2.20马达9参数
图2.21马达10参数
5、这里的“马达”运行时间必须相等,不然运动分析无法进行,全部设置完成后点击“
”观察模型能否完成三自由度的运动,未完成出现下面的截图所示的问题则需重新按上述步骤设置运动参数,直到完成三自由度的运动为准不必根据所提示内容进行任何操作,如图2.22所示。
图2.22马达10参数
6、完成上述步骤后点击文件—保存,在模型中保存了上述的运动算例,再次打开模型时运动算例依然存在。
2.4本章小结
本章给出了机械手模型制作软件简介,同时给出了模型的具体结构,采用Solidworks三维软件进行机械手结构设计和机械手装配体运动分析的建立。
第3章联合仿真的建立
3.1Labview简介
Labview是美国国家仪器公司开发的一种图形化的编程语言。
图形化的程序语言,又称为“G”语言。
使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图。
它尽可能利用了技术人员,科学家,工程师所熟悉的术语,图标和概念,使编程简单直观。
1、Labview程序构成:
双击Labview快捷图标,出现启动画面,单击其中的Newvi,打开一个新的Labview程序,可以看到它由前面板(panel)和流程图(diagram)组成。
前面板窗口
前面板窗口是图形用户界面,也就是VI的虚拟仪器面板,相当于实际仪器的控制面板,他将用户和程序联系起来,是程序运行时显示和输入的交互窗口。
如图所示的示波器的前面板上有用户输入和显示输出两类对象,具体表现有开关、旋钮、图形以及其他控制(control)和显示对象(indicator)。
流程图窗口
流程图窗口提供VI的图形化源程序,相当于实际仪器箱内的东西,在流程图中程序员用图形语言编写Labview程序源代码,以控制和操纵定义在前面板上的输入和输出功能。
流程图中包括前面板上的控件的连线端子,还有一些前面板上没有,但编程必须有的东西,例如函数、结构和连线等。
下面介绍工具条上常用按钮的功能
◆
:
运行(Run),如果VI有编译错误,此按钮将变成。
◆
:
连续运行(RunContinuosly)。
◆
:
异常终止执行(AbortExecution)。
2、本论文中用到的模版:
While循环结构如下图:
其中右边的带箭头的小图标是用来接循环条件的,当调节为“真”开始继续执行下一次循环,为“假”时停止执行循环条件。
这里循环条件的检验是在循环体执行完成时,因此循环至少执行一次。
i的作用也是指示循环次数。
如图3.1所示。
图3.1While循环结构
3、公式节点:
公式节点是一种可以直接在流程图中输入数学公式并进行计算的结构,如右图它是一个大小可变的方框。
在使用公式节点传递数据,在边框上点击右键就会有AddInput和AddOutput,分别选择即可显示节点,在输入输出节点上输入变量名(注意要与公式内使用的变量一致)。
公式节点所用的操作符和功能在公式节点帮助窗口中可以查询。
3.2Labview和Solidworks仿真
1、右击我的电脑—属性—扫描引擎—设置扫描属性—点击确定,如图3.2。
图3.2扫描引擎
2、右击我的电脑—新建—NISoftMotionAxis建立运动轴如图3.3。
图3.3运动轴建立
3、点击三次“AddNewAxis”出现三个运动轴下图所示,分别双击Axis选择相应的Solidworks里的旋转马达,设置完成点击OK,如图3.4。
图3.4驱动链接
4、右击运动轴—属性出现下图内容,点击左上角的运动轴图标然后将图片中下部的两个小方框“√”选上,点击OK,如图3.5。
图3.5运动轴属性
5、右击我的电脑—新建—SolidworksAssembly,如图3.6。
图3.6新建Solidworks
6、完成初步的设计建立如图3.7。
图3.7项目管理窗口
7、设置Solidworks属性,右击Solidworks出现图3.8内容,更改成以下结果点击OK完成参数设置。
图3.8Solidworks属性
8、同时选中我的电脑及其所属的“运动轴”和装配体及其所属的旋转马达右击鼠标点击“部署”完成部署操作(部署的目的使动力源在驱动过程中运动同步)。
9、文件—新建VI—出现程序编写前面板和程序框图,在程序框图面板进行编程设计,右键—编程—结构—定式结构—定时循环,如图3.9。
图3.9定时结构
10、双击左上角同步至扫描出现“配置定时循环”,选择如图3.10所示的的同步至扫描引擎点击“确定”完成电机扫描这步。
图3.10配置定时循环
11、在上步建立的定时循环图框中右键—出现函数面板—选择视觉与运动选项—按照图示一步一步进行,如图3.11。
图3.11函数面板
12、在上步建立的定时循环图框中右键—出现函数面板—选择视觉与运动选项—选择MotionAxis将其拉动到一定位置并与“Resource”连接,如图3.12。
图3.12函数面板
13、点击“MotionResource”下面的长方条的“三角号”出现如图3.13所示的所有运动轴从中选择对应的,剩下的两个运动轴驱动程序建立方式与此相同。
图3.13运动轴选择
14、最终的建立结果如下,其它输入输出控件的建立只需在对应的英文上右键—新建“输入”或者“输出”即完成最终的创建,点击文件保存。
如图3.14所示。
图3.14驱动程序框图
15、右键单击Solidworks模型点击打开(open)之后Solidworks三维模型会提示“加载等待字样”,待模型打开后会出现“机械手模型及运动分析”,有时由于电脑配置等其他原因造成“运动分析丢失”则需重新在Labview项目中重新右键Solidworks图标点击打开,重复几次依然没有“运动分析”内容则需要将其删除,点击我的电脑新建“机械手装配体和运动分析”新建成功后在Solidworks图标下会有电机图标显示,新建成功后一定要保存此新建项目不然此操作无效。
16、“重复步骤7”重新部署一次打开Labview项目中的Solidworks,打开之后确认运动分析等信息无误,右键项目中的Solidworks图标选择StartSimulation。
17、双击项目中的Labview驱动程序,打开之后按CTRL+E切换到前面板,点击程序开始符号,输入参数值观察仿真的运行情况。
18、最终完成的仿真运行如下图所示,左侧为模型运动分析界面、中间为Labview项目(建立两个软件的界面)、右面的为控制程序前面板,如图3.15所示。
图3.15仿真控制运行
3.3本章小结
本章介绍了联合仿真的建立过程及各个参数的具体设置过程,包括仿真运行过程及控制过程,联合仿真的具体界面及控制程序框图,经演示联合仿真过程符合设计要求。
第4章可视化求解界面
机器人操作臂可以看成是一个开式运动链,它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成。
开链的一端固定在基座上,另一端是安装着手爪(或称末端执行器)用以操作物体,完成各种动作。
已知杆件的几何参数和关节变量,求解末端执行器相对于给定坐标系的位置和姿态,被称为运动学正问题;已知机器人杆件的几何参数,给定末端执行器相对于总体坐标系的位置和姿态,来求解机器人各个关节的变量大小,被称为运动学逆解问题。
科学计算可视化就是运用计算机图形学或者一般图形学的原理和方法,将科学与工程计算等产生的大规模数据转换为图形、图像,以直观的形式表示出来。
如何把机器人运动学正问题和逆问题用界面的形式清晰、直观的表达出来是非常重要的。
机器人的运动学主要是把机器人相对于固定参考系的运动作为函数进行分析研究,而不考虑引起这些运动的力和力矩,也就是要把机器人的空间位移解析的表示为矩阵函数,特别是要研究分析关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系。
4.1坐标系建立
对于机械手的运动技术参数,规定俯视机械手逆时针转动为“+”,顺时针转动为“-”。
运用Labview图形化编程软件进行可视化计算的编程,分别制作出机械手手爪(末端执行器)的正、逆可视化求解界面。
4.1.1坐标系选择
以模型底座与机架接触处为固定坐标系初始位置,这样设置可以简化掉一些数学运算,无论是三自由度还是其他多自由度的坐标建立最好以此为准。
机械手上下移动为“Z”轴向上运动为正方向,左右移动为“X”轴,垂直纸面向里确定为“Y”轴正方向,坐标轴方向及位置确定如图4.1所示。
图4.1坐标系
4.1.2坐标系变换计算
变换连杆的D-H参数为d1,d2,Ql列出在表4.1中,于是可求出一个连杆相对于上一个连杆的位姿,所有的变换都是相对于动坐标系的,根据“从左到右”的原则,可求出机器人最后一个连杆(手爪坐标系)相对于参考坐标系的位姿。
由三次坐标变换得到最终的空间位置,变换过程如下所示:
1、绕Z轴转动Q角;
2、绕Z轴移动d1;
3、沿X轴移动d2;
(1)手臂绕定轴转
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