沈陽理工大學(xué)-labview課程設(shè)計(jì).doc

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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(gè)數(shù)的平均值 2 2 4 溫度監(jiān)測器 3 3 蝴蝶圖設(shè)計(jì)原理 5 3 1 機(jī)器人手臂基本原理 5 3 2 設(shè)計(jì)要求 9 3 3 設(shè)計(jì)步驟 9 4 機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)和仿真 9 4 機(jī)器人設(shè)計(jì)前面板 9 4 2 蝴蝶圖的程序面板設(shè)計(jì) 10 4 3 在設(shè)計(jì)過程中遇到的問題 12 5 結(jié)果及性能分析 12 5 1 機(jī)器人手臂的運(yùn)行結(jié)果 12 5 2 性能分析 13 6 參考文獻(xiàn) 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(jì)方法和 實(shí)現(xiàn)技巧 運(yùn)用專業(yè)課程中的基本理論和實(shí)踐知識(shí) 采用 LabVIEW 開發(fā)工具 實(shí) 現(xiàn)機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)和仿真 要求首先完成 LabVIEW 基礎(chǔ)程序練習(xí) 之后完成機(jī)器 人手臂設(shè)計(jì)程序給出運(yùn)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(gè)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(jìn)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(gè)數(shù)的平均值 要求對(duì)三個(gè)輸入控件等間隔并右對(duì)齊 對(duì)應(yīng)的程序框圖控件對(duì)象也要求如 此對(duì)齊 添加注釋 分別用普通方式和高亮方式運(yùn)行程序 體會(huì)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(bào)警上限 而且開啟報(bào)警時(shí) 報(bào)警燈點(diǎn)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(jì)原理 3 1 機(jī)器人手臂基本原理 3 1 1 機(jī)器人的構(gòu)成與分類 現(xiàn)在的一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng) 一般由機(jī)械手 環(huán)境 任務(wù) 控制器四個(gè)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(jī)構(gòu) 環(huán)境 外 傳 感 器 信 息 外傳感器信息 圖 9 機(jī)器人系統(tǒng)框圖 機(jī)器人的分類方法很多 按機(jī)械手的幾何結(jié)構(gòu)來分 機(jī)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(jī)器人 若按機(jī)器人的控制方式來分 機(jī)器人可 分為 非伺服和伺服機(jī)器人兩種 若按機(jī)器人控制器的信息輸入方式分 可分 為手動(dòng) 遙控 智能的機(jī)器人 3 1 2 機(jī)器人的坐標(biāo)變換 在描述物體 如零件 工具或機(jī)械手 間關(guān)系時(shí) 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(diǎn)的位置 即對(duì)于直角 坐標(biāo)系 A 空間內(nèi)任何一點(diǎn) 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(gè)固接于此物體的坐標(biāo)系 B 的三 個(gè)單位主矢量 xB yB zB 相對(duì)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(diǎn)不重合 則點(diǎn) P 在兩個(gè)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(diǎn)但方位不同 則點(diǎn) P 的在兩個(gè)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(jìn)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(diǎn)的軸 f 0 707 0 707 0 T 轉(zhuǎn) 30 度 3 1 5 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)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(jī)械手的每一個(gè)連桿建 立一個(gè)坐標(biāo)系 并用齊次變換來描述這些坐標(biāo)系間的相對(duì)位置和姿態(tài) 若 A1 表示第一連桿對(duì)基坐標(biāo)的位姿 A2 表示第二連桿對(duì)第一個(gè)連桿的位姿 則第二個(gè)連桿對(duì)基坐標(biāo)的位姿為 T2 A1A2 3 1 6 機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)方向 如右圖為機(jī)器人的夾持器 設(shè) 接近矢量 a 夾持器進(jìn)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(gè) 即位姿為 T6 則 3 1 7 運(yùn)動(dòng)位置和坐標(biāo) 用柱面坐標(biāo)表示末端運(yùn)動(dòng)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(jī)器人的動(dòng)力學(xué) 機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)是研究機(jī)器人的動(dòng)力特性與力的關(guān)系 具體來說是研究兩類 問題 1 動(dòng)力學(xué)正問題 已知機(jī)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(yùn)動(dòng)軌跡 2 動(dòng)力學(xué)逆問題 已知機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(dòng)力和力矩 簡單舉例推到動(dòng)力學(xué)方程 若兩連桿機(jī)器人如下圖所示 則對(duì)于連桿一 對(duì)于連桿二 二桿動(dòng)能和勢能分別為 系統(tǒng)的總動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程 3 2 設(shè)計(jì)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(jì)文檔符合軟件文檔國標(biāo) 3 3 設(shè)計(jì)步驟 編輯前面板 LabVIEW 中的前面板是圖形化的人機(jī)界面 利用控件選項(xiàng)板 提供的各種控件合理放置 3D Picture Control 模塊 rebot tree 模塊 建立項(xiàng) 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(jìn)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(jìn)行對(duì)象連線 運(yùn)行 VI 調(diào)試 VI 在后面板中通過連線 放置運(yùn)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(gè)控件的位置 使界面美觀 易懂 4 機(jī)器人手臂的設(shè)計(jì)和仿真 4 1 機(jī)器人設(shè)計(jì)前面板 圖 12 機(jī)器人設(shè)計(jì)的前面板 4 2 蝴蝶圖的程序面板設(shè)計(jì) 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(yùn) 行 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì) 所以整個(gè)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(jì)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(jì)過程中遇到的問題 在設(shè)計(jì)過程中 發(fā)現(xiàn)自己對(duì)很多控件不熟悉 找不到其位置 其次 對(duì)控 件的功能認(rèn)識(shí)不夠 導(dǎo)致連線屢屢出現(xiàn)錯(cuò)誤 當(dāng)程序編寫完成后 不能運(yùn)行 經(jīng)仔細(xì)尋找錯(cuò)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(jì)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(duì)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(qǐng)教 這些問題都迎刃而 解 蝴蝶圖的設(shè)計(jì) 讓我對(duì)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(jī)器人手臂的運(yùn)行結(jié)果 運(yùn)行 VI 單擊前面板或程序框圖工具欄中的運(yùn)行按鈕 圖 17 機(jī)器人手臂的運(yùn)行結(jié)果 5 2 性能分析 通過改變前面板點(diǎn)數(shù)中的參數(shù)大小來改變機(jī)器人手臂的形狀 圖 21 前面板中點(diǎn)數(shù)的參量 6 參考文獻(xiàn) 1 labview 入門與提高 趙品編著 人民郵電出版社 2000 11 2 labview 高級(jí)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(jì)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(shí)戰(zhàn) 李江全編著 人民郵 電 出版社 2005 10 6 labview 大學(xué)實(shí)用教程 Jeffrey Travis 編著 人民郵電出版社 2008 7 labview 程序設(shè)計(jì)教程 江建軍編著 電子工業(yè)出版社 2008 8 虛擬儀器設(shè)計(jì) 詹惠琴等編著 高等教育出版社 2008