沈阳理工大学-labview课程设计.doc

目 录 1 目的及基本要求 0 2 编程基础练习 1 2 1 正弦波发生器 1 2 2 前面板 后面板之间的切换 1 2 3 求三个数的平均值 2 2 4 温度监测器 3 3 蝴蝶图设计原理 5 3 1 机器人手臂基本原理 5 3 2 设计要求 9 3 3 设计步骤 9 4 机器人手臂的设计和仿真 9 4 机器人设计前面板 9 4 2 蝴蝶图的程序面板设计 10 4 3 在设计过程中遇到的问题 12 5 结果及性能分析 12 5 1 机器人手臂的运行结果 12 5 2 性能分析 13 6 参考文献 14 1 目的及基本要求 熟悉 LabVIEW 开发环境 掌握基于 LabVIEW 的虚拟仪器原理 设计方法和 实现技巧 运用专业课程中的基本理论和实践知识 采用 LabVIEW 开发工具 实 现机器人手臂设计和仿真 要求首先完成 LabVIEW 基础程序练习 之后完成机器 人手臂设计程序给出运行结果 2 编程基础练习 2 1 正弦波发生器 图 1 练习1的前面板 图 2 练习1的程序框图 2 2 前面板 后面板之间的切换 任意放置几个控件在前面板 改变它们的位置 名称 大小 颜色 在 VI 前面板和后面板之间进行切换 并排排列前面板和后面板窗口 图 3 练习2的前面板 图 4 练习2的程序框图 2 3 求三个数的平均值 要求对三个输入控件等间隔并右对齐 对应的程序框图控件对象也要求如 此对齐 添加注释 分别用普通方式和高亮方式运行程序 体会数据流向 单步执行一遍 图 5 练习3的前面板 图 6 练习3的程序框图 2 4 温度监测器 当温度超过报警上限 而且开启报警时 报警灯点亮 温度值可以由随即 数发生器产生 图 7 练习 4 的前面板 图 8 练习 4 的程序框图 3 蝴蝶图设计原理 3 1 机器人手臂基本原理 3 1 1 机器人的构成与分类 现在的一个机器人系统 一般由机械手 环境 任务 控制器四个相互作用 的部分组成 其简化形式为下图 9 所示 任务 控制器 执行机构 环境 外 传 感 器 信 息 外传感器信息 图 9 机器人系统框图 机器人的分类方法很多 按机械手的几何结构来分 机器人可分为 柱面坐 标 球面坐标 关节球面坐标机器人 若按机器人的控制方式来分 机器人可 分为 非伺服和伺服机器人两种 若按机器人控制器的信息输入方式分 可分 为手动 遥控 智能的机器人 3 1 2 机器人的坐标变换 在描述物体 如零件 工具或机械手 间关系时 要用到位置矢量 平面和 坐标系等 例如用 3 1 的位置矢量来确定空间内任何一点的位置 即对于直角 坐标系 A 空间内任何一点 P 的位置可用 3 1 的阵列矢量表示 AP px py pz T 空间物体 B 的方位 Orientation 可由某个固接于此物体的坐标系 B 的三 个单位主矢量 xB yB zB 相对于参考坐标系 A 的方向余弦组成的 3X3 矩阵描述 即 3 1 3 平移变换 坐标 A 和 B 有相同的方位 但原点不重合 则点 P 在两个坐标系中的位置 矢量满足下式 变换图如图 10 图 10 平移变换 3 1 4 旋转变换 坐标系 A B 有相同的原点但方位不同 则点 P 的在两个坐标系中的位置矢 量有如下关系 旋转图示如图 11 图 11 旋转变换 给出任意旋转变换 能够由下式求得进行等效旋转 角的转轴 即 如一坐标系 B 与参考系重合 现将其绕通过原点的轴 f 0 707 0 707 0 T 转 30 度 3 1 5 机器人的运动学 机械手是一系列由关节连接起来的连杆构成的 将为机械手的每一个连杆建 立一个坐标系 并用齐次变换来描述这些坐标系间的相对位置和姿态 若 A1 表示第一连杆对基坐标的位姿 A2 表示第二连杆对第一个连杆的位姿 则第二个连杆对基坐标的位姿为 T2 A1A2 3 1 6 机器手的运动方向 如右图为机器人的夹持器 设 接近矢量 a 夹持器进入物体的方向 z 轴 方向矢量 o 指尖互相指向 Y 轴 法线矢量 n 指尖互相指向 x 轴 夹持器的关节为第六个 即位姿为 T6 则 3 1 7 运动位置和坐标 用柱面坐标表示末端运动位置 则沿 x 平移 r 绕 z 轴转 a 沿 z 轴平移 z 的方程为 即 3 1 8 机器人的动力学 机器人的动力学是研究机器人的动力特性与力的关系 具体来说是研究两类 问题 1 动力学正问题 已知机械手各关节的作用力或力矩 求各关节的位移 速度 加速度 运动轨迹 2 动力学逆问题 已知机械手的运动轨迹 即各关 节的位移 速度 加速度 求各关节的驱动力和力矩 简单举例推到动力学方程 若两连杆机器人如下图所示 则对于连杆一 对于连杆二 二杆动能和势能分别为 系统的总动能和势能及拉格朗日函数分别为 分别求得 带入拉格朗日函数即可求得动力学方程 3 2 设计要求 手臂应满足下列要求 A 自由伸缩 B 自由 360 度旋转 C 有关节 具有一定的握力 D 界面美观简洁 程序应符合工程化思想 E 设计文档符合软件文档国标 3 3 设计步骤 编辑前面板 LabVIEW 中的前面板是图形化的人机界面 利用控件选项板 提供的各种控件合理放置 3D Picture Control 模块 rebot tree 模块 建立项 目模块和 joints 模块 输入控件 Controls 和显示控件 Indicator 利用输入控件可以输入 相应的数据 例如数字 布尔量 字符串和文件路径等 前面板中的一些控件既 可以作为输入控件也可以做作为显示控件 右击控件 选择 Change to Indicator 或 Change to Control 可以进行输入控件与显示控件之间的切换 更改控件属性 编辑程序框图 进行对象连线 运行 VI 调试 VI 在后面板中通过连线 放置运算符函数等完成各模块间的控制与联系 病 重新排列各个控件的位置 使界面美观 易懂 4 机器人手臂的设计和仿真 4 1 机器人设计前面板 图 12 机器人设计的前面板 4 2 蝴蝶图的程序面板设计 程序框图相当于程序的源代码 只有创建了程序框图后 该程序才能真正运 行 本系统采用模块化设计 所以整个系统软件层次清晰 易于理解 便于修 改 利于开发新功能 图 13 蝴蝶图设计的程序框图 图 14 robot tree 程序框图 图 15 picture control 程序框图 图 16 joint 程序框图 4 3 在设计过程中遇到的问题 在设计过程中 发现自己对很多控件不熟悉 找不到其位置 其次 对控 件的功能认识不够 导致连线屡屡出现错误 当程序编写完成后 不能运行 经仔细寻找错误才发现 函数是在汉语状态下输入的 改正后终于得到了想要 的结果 在前面板的设计过程中 想使用一些修饰控件 可每次都把波形覆盖 后来才知道要把它设为移至后面状态 还有 开始对波形图的了解也不够 比 如网格的设置等等 不过 通过向同学学习 向老师请教 这些问题都迎刃而 解 蝴蝶图的设计 让我对虚拟仪器软件的使用更加熟悉 5 结果及性能分析 5 1 机器人手臂的运行结果 运行 VI 单击前面板或程序框图工具栏中的运行按钮 图 17 机器人手臂的运行结果 5 2 性能分析 通过改变前面板点数中的参数大小来改变机器人手臂的形状 图 21 前面板中点数的参量 6 参考文献 1 labview 入门与提高 赵品编著 人民邮电出版社 2000 11 2 labview 高级应用 赵品编著 人民邮电出版社 2000 11 3 labview 印刷电路板设计教程 肖玲妮编著 清华大学出版社 2003 8 4 labview 完全自学手册 龙马工作室编著 人民邮电出版社 2005 10 2 5 labview 虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战 李江全编著 人民邮 电 出版社 2005 10 6 labview 大学实用教程 Jeffrey Travis 编著 人民邮电出版社 2008 7 labview 程序设计教程 江建军编著 电子工业出版社 2008 8 虚拟仪器设计 詹惠琴等编著 高等教育出版社 2008