桌面型串联关节式机器人示教仿真软件开发毕业设计论文

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1、 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 桌面型串联关节式机器人示教仿真软件开发 Graduation Design (Thesis)development Simulation software in desktop series robotByQin JuanSupervised byFan Hong meiDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2007 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中

2、已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（本人签名）： 年 月 日学位论文出版授权书本人及导师完全同意中国博士学位论文全文数据库出版章程、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价

3、数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。论文密级：公开保密（_年_月至_年_月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)作者签名：_ 导师签名：_年_月_日 _年_月_日独 创 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 二一年九月二十日毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解滨州学院关于收集

4、、保存、使用毕业设计（论文）的规定。本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。（保密论文在解密后遵守此规定）作者签名: 二一年九月二十日致 谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结

5、尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所

6、有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成

7、绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给

8、与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。摘 要本论文以现有的桌面型串联关节式六自由度机器人为原型，讨论研究机器人示教与再现的原理的基础上，用软件开发机器人示教仿真软件，要求能够把人把规定的动作(包括每个运动部件，每个运动轴的动作)教给机器人，然后将示教的各种信息存储起来，然后根据需要，将存储的信息读出，向执行机构发出具体指令。本论文着重讨论在关节空间和齐次变换矩阵来对机器人进行正运动学的分析。本论文的主要成果包括：完成各界面的设计

9、，得到正向运动学分析的结果。 关键词：机器人；正向运动学；演示 IVABSTRACT In this paper, we regard the existing desktop series joint type of 6-dof robot as the prototype, discussing the teaching reappearance of the robot. It based on the principle of software development, the robot can bring the requirements prescribed actions (i

10、ncluding each moving parts, each moving axis movement) to teach robot ,teaching information will be stored up, then according to the needs, we will bring the stored information to the actuator, reading a specific instructions.This paper emphatically discussed the positive kinematics of the robot. Th

11、is paper mainly include: complete the design of interface and the results of kinematics analysis .Keywords: robot, Positive kinematics; Demo 目录第一章 绪论.11.1 引言11.2 选题的背景及意义21.3 研究现状及发展趋势31.4 本文的结构4第二章 桌面串联机器人5 2.1 桌面串联机器人的认识. 5 2.2 桌面串联机器人的机械结构6 2.3 桌面串联机器人的技术参数7 2.4 机器人示教简介7 2.5 本章小结8第三章 桌面串联机器人运动学分析

12、8 3.1 桌面串联机器人的运动学分析8 3.1.1 串联机器人关节连杆参数定义及运动矩阵描述.9 3.1.2 串联机器人系统正向运动学模型和系统11 3.2 本章小结.14第四章 仿真系统软件开发.14 4.1 组态王软件简介.14 4.1.1 组态王中的变量.15 4.1.2 组态王变量属性的定义.16 4.2机器人界面设计.16 4.2.1 机器人主界面设计.17 4.2.2 机器人关节示教界面设计.18 4.2.3 机器人关节运动界面设计.19 4.2.4 正向运动学分析界面.21 4.3 正向运动学分析的部分程序.22 4.4 本章小结.25第五章 结论和展望25 5.1设计总结25

13、 5.2 展望.25致谢 26参考文献.26附录A英文资料.27附录B资料翻译.35 第一章 绪论1.1 引言机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。现将机器人发展介绍如下：厄恩斯特1962年介绍了带有传感器的计算机控制机械手的研究情况，麦卡锡于1968年和他在人工智能实验室的同事报告了有手、眼和耳（即机械手、电视摄象机和拟音器）的机器人开发情况。皮珀也在1968年研究了计算机控制的机械手运动问题。这时，其它国家（特别是日本）也开始认识到机器人的潜力。日本是机器人发展最快、应用最多

14、的国家，日本于1967年从美国引进了第一台机器人，并于1968年开始研制。据报道，到1984年底，日本已拥有机器人六万七千台，数量占世界首位。此外，英国、西德、瑞典、瑞士等国家都有活跃的研究机构，进行了大量的研究，并取得了很大的成果。目前，正式投于使用的机器人中，绝大部分是第一代机器人，即程序控制机器人。这一代机器人基本上是采用点位控制系统，且具有感受周围环境信息的感觉器官，主要用途是焊接与喷漆。第二代机器人是具有感觉器官的机器人，仍然以程序控制为基础，但可以用外界环境信息来校正控制程序。外界信息也可以用来完成某些按程序控制无法实现的操作，如抓起随意放置的物体等。第二代机器人通常采用类似接触传

15、感器之类的简单感受装置和相应的适应性算法。第三代机器人称为智能机器人（Intelligent Robot），这代机器人具有高度发达的感觉装置，如视觉系统、测距系统和声音识别系统。有了这些感觉系统，机器人可以分析外界情况，具备了灵活多变的思维能力和强有力的自适应能力。但第三代机器人还处在研究、探索阶段。国内外都在进行下一代高级机器人的研究，主要有装配机器人、外层空间机器人、资源开发机器人、行走机器人和军事机器人。 机器人应用十分广泛。主要应用于自动化部门，特别是汽车制造业；少量的应用于教学科研领域。特殊用途的机器人可以完成设计时所要求的特殊功能。机器人首先在高温、有毒、高粉尘及存在放射性物资等恶

16、劣的作业环境下或在一些人不能到达的范围内使用，同时也用于完成如装卸、搬运等重复的作业任务。1.2 选题的背景与意义随着工业现代化的进一步发展，自动化已经成为现代企业中的重要支柱。无人车间、无人生产流水线等等，已经到处可见。同时现代生产中,存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合,以及水下作业等。这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。工业生产中的这些需求是工业生产自动化的一个源动力。自动控制理论的出现和发展，尤其是现代控制技术的应用，为现代生产系统的自动化开辟了一条新的路径，提供了坚实的基础和保障，从而使自动化生产成为可能。工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术

17、，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。这种新技术发展很快，逐渐形成一门新兴的学科机器人工程。各种生产过程的机械化和自动化是现代技术发展的趋势。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识:其一、它能部分地代替人工操作:其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和轨迹来完成工件的传送和装卸;其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大地改善工人的劳动条件，显著地提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工

18、业国家的重视，投入了大量的人力与物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部的重视。 目前，我国许多学者都在从事机械手的研究和研制工作。针对工业生产中的实际应用，也业已成功地研制出了压铸机上下料机械手、表面清理机械手等。同时，各种控制机械手输出运动轨迹的控制方法也取得了一定的进展和成效。1.3 研究现状及发展趋势 目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制;控制。方式则为开环式，没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微

19、型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机械手具有感觉机能。第三 代 机 械手(机器人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS西安交通大学硕士学位论文(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一环。随着 工 业 机械手研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机械手(机器人)会议ISIR决定每年召开一次会议，讨

20、论和研究机械手的发展和应用的问题。目前，工业机械手主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。目前 使 用 工业机械手代替人工操作的，主要是在危险作业广义的)、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。同时可以看到，高温和搬运重物这两项所占比例也较高。在 国 内主 要是逐步扩大应用范围，重点发展铸、锻、热处理、搬运和装卸方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机

21、构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。在 国外 机 械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备有任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。随着传感技术的发展，机械手的装配作业的能力将进一步提高。更主要的是将机械手和柔性制造系统和柔性制

22、造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。总的来说，工业机械手的发展趋势是:1.提高运动速度和动作精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的 标 准 化和模块组合化:将机器人的回转、伸缩、俯仰和摆动等各种功能的机械模块和控制模块、检测模块组合成结构和用途不同的机器热人。 2.开发新型结构，如开发微动机构保证动作精度:开发多关节、多自由度的手臂和手指;研制新型的行走机构，以适应各种作业需要。3.研制各种传感检测装置，如视觉、触觉、听觉和测距传感器等，用传感器获取有关工作对象和外部环境信息，来完成模式识别，并采用专家系统进行问题求解,动作规划,采用微机控制。1.4 本文的结构本

23、文以六自由度串联机器人作为应用背景，对机器人运动的控制技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了机器人及其发展的概念、特点与相关研究背景；第二章研究了串联机器人控制系统的总体结构，包括机械结构、技术参数；第三章对串联机器人正向运动学分析，坐标系的建立，运动学方程的推导；第四章主要针对串联的软件进行设计，本文主要是针对控制各界面的软件设计；第五章对毕业设计的总结以及对以后的展望。 第二章桌面串联机器人2.1桌面串联机器人的认识 机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。本毕设所使用的机器人为6自由度串联机器人，其轴线相互平行或垂直，能够在空间

24、内进行定位，采用伺服电机和步进电机混合驱动，主要传动部件采用可视化设计，控制简单，编程方便，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统，是进行控制系统设计的理想平台。它具有高度的能动性和灵活性，具有广阔的开阔空间，是进行运动规划和编程系统设计的理想对象。机器人采用串联式开链结构，即机器人各连杆由旋转关节或移动关节串联连接，如图2-1所示。各关节轴线相互平行或垂直。连杆的一端装在固定的支座上（底座），另一端处于自由状态，可安装各种工具以实现机器人作业。关节的作用是使相互联接的两个连杆产生相对运动。关节的传动采用模块化结构，由锥齿轮、同步齿型带和谐波减速等结构配合实现。 图2-1 机器人结构2.2桌面串

25、联机器人的机械结构机器人机械系统主要由以下几大部分组成：原动部件、传动部件、执行部件。基本机械结构连接方式为原动部件传动部件执行部件。机器人的传动简图如图2-2所示。关节传动链主要由伺服（或步进）电机、减速器构成。关节传动链主要由伺服电机、减速器构成。关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。关节传动链主要由步进电机、减速器构成。关节传动链主要由步进电机、同步带、减速器构成。关节传动链主要由步进电机、减速器构成。在机器人末端还有一个气动夹持器。 图2-2 机器人传动简图2.3桌面串联机器人的技术参数 机器人技术参数如下表2-3：结构形式串联关节式驱动方式步进伺服混合驱动负载能力3Kg重复定

26、位精度0.08mm动作范围关节-150 150关节-135 -45关节-70 50关节-90 90关节-90 90关节-180 180最大速度关节60o / S关节60o / S关节60o / S关节60o / S关节60o / S关节120o / S最大展开半径610 mm高度850 mm本体重量40Kg操作方式示教再现/编程电源容量单相220V 50Hz 4A 2.4 机器人示教简介机器人示教(teach programming)，就是操作者把规定的目标动作(包括每个运动部件，每个运动轴的动作)一步一步的教给机器人。示教的简繁，标志着机器人自动化水平的高低。记忆，即是机器人将操作者所示教的

27、各个点的动作顺序信息、动作速度信息、位姿信息等记录在存储器中。存储信息的形式、存储存量的大小决定机器人能够进行的操作的复杂程度。再现，便是将示教信息再次浮现，即根据需要，将存储器所存储的信息读出，向执行机构发出具体的指令。至于是根据给定顺序再现，还是根据工作情况，由机器人自动选择相应的程序再现这一功能的不同，标志着机器人对工作环境的适应性。操作，指机器人以再现信号作为输入指令，使执行机构重复示教过程规定的各种动作。在示教-再现这一动作循环中，示教和记忆是同时进行的；再现和操作也是同时进行的。这种方式是的机器人控制中比较方便和常用的方法之一。示教的方法有很多种，有主从式，编程式，示教盒式等多种。

28、主从式既是由结构相同的大、小两个机器人组成，当操作者对主动小机器人手把手进行操作控制的时候，由于两机器人所对应关节之间装有传感器，所以从动大机器人可以以相同的运动姿态完成所示教操作。编程式既是运用上位机进行控制，将示教点以程序的格式输入到计算机中，当再现时，按照程序语句一条一条的执行。这种方法除了计算机外，不需要任何其他设备，简单可靠，适用小批量、单件机器人的控制。示教盒和上位机控制的方法大体一致，只是由示教盒中的单片机代替了电脑，从而使示教过程简单化。这种方法由于成本较高，所以适用在较大批量的成型的产品中。2.5 本章小结本章先对六自由桌面机器人总体介绍，它是一个多输入多输出的动力学复杂系统

29、。主要介绍了机器人的机器结构和技术参数，其连接方式为原动部件传动部件执行部件。最后介绍了机器人示教的概念，具体介绍在第四章。 第三章桌面串联机器人运动学分析3.1 桌面串联机器人运动学分析机器人正向运动学是已知杆件几何结构参数和关节角度的条件下，求解末端执行器相对参考坐标系的位置和状态，从而分析研究机器人轨迹变化。机器人的运动学反解存在的区域称为机器人的工作空间，求解机器人逆解的目的也在于要求出机器人的工作空间。3.1.1 串联机器人关节连杆参数定义及运动矩阵描述 机器人通常是由一系列连杆和相应的运动副组合而成的空间开式链，实现复杂的运动，完成规定的操作。因此，机器人运动学描述的第一步，自然是

30、描述这些连杆之间以及它们和操作对象(工件或工具)之间的相对运动关系。假定这些连杆和运动副都是刚性的，描述刚体的位置和姿态(简称位姿)的方法是这样的：首先规定一个直角坐标系，相对于该坐标系，点的位置可以用3维列向量表示；刚体的方位可用33的旋转矩阵来表示，而44的齐次变换矩阵则可将刚体位置和姿态(位姿)的描述统一起来。机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的三原则：1） 轴沿着第n个关节的运动轴；2） 轴垂直于轴并指向离开轴的方向；3） 轴的方向按右手定则确定。机器人坐标系建立的方法常用的是D-H方法，这种方法严格定义了每个关节的坐标系，并对连杆和关节定义了4个参数，如下图3-1。图3-1机器人

31、机械手是由一系列连接在一起的连杆（杆件）构成的。需要用两个参数来描述一个连杆，即公共法线距离和垂直于所在平面内两轴的夹角；需要另外两个参数来表示相邻两杆的关系，即两连杆的相对位置和两连杆法线的夹角。除第一个和最后一个连杆外，每个连杆两端的轴线各有一条法线，分别为前、后相邻连杆的公共法线。这两法线间的距离即为。我们称为连杆长度，为连杆扭角，为两连杆距离，为两连杆夹角。机器人机械手上坐标系的配置取决于机械手连杆连接的类型。有两种连接转动关节和棱柱联轴节。对于转动关节，为关节变量。连杆i的坐标系原点位于关节i和i+1的公共法线与关节i+1轴线的交点上。如果两相邻连杆的轴线相交于一点，那么原点就在这一

32、交点上。如果两轴线互相平行，那么就选择原点使对下一连杆（其坐标原点已确定）的距离为零。连杆i的z轴与关节i+1的轴线在一直线上，而x轴则在关节i和i+1的公共法线上，其方向从i指向i+1，当两关节轴线相交时，x轴的方向与两矢量的交积平行或反向平行，x轴的方向总是沿着公共法线从转轴n指向i+1。当两轴和平行且同向时，第i个转动关节的为零。 一旦对全部连杆规定坐标系之后，我们就能够按照下列顺序由两个旋转和两个平移来建立相邻两连杆i-1与i之间的相对关系。绕轴旋转角，使轴转到与同一平面内。沿轴平移一距离，把移到与同一直线上。沿i轴平移距离，把连杆i-l的坐标系移到使其原点与连杆n的坐标系原点重合的地

33、方。绕轴旋转角，使转到与同一直线上。这种关系可由表示连杆i对连杆i-1相对位置的四个齐次变换来描述，并叫做矩阵。此关系式为 （式3-1）展开上式可得 （式3-2） 当机械手各连杆的坐标系被规定之后，就能够列出各连杆的常量参数。 对于跟在旋转关节i后的连杆，这些参数为，和。对于跟在棱柱联轴节i后的连杆来说，这些参数为和。然后，角的正弦值和余弦值也可计算出来。这样，A矩阵就成为关节变量的函数（对于旋转关节）或变量d的函数（对于棱柱联轴节）。一旦求得这些数据之后，就能够确定六个变换矩阵的值。 3.1.2 串联机器人系统正向运动学模型和系统 参照机器人的运动机构简图3-2，根据D-H方法建立机器人的笛

34、卡尔坐标系，并且标出每个关节坐标系的原点；机器人的参数表3-1杆件变量为转角n偏距dn(mm)扭角n杆长an(mm)11(0)200-90022(-90)0019733(0)0-909044(0)83 90055(0)0-90066(0)8200规定逆时针为正，顺时针为负。C=cos S=sin 0A1= A= A= 3A4=A= 5A6=T1=0A11A22A3= * * = T2=3A44A55A6=* = T=T1*T2= * = 3.2 本章小结本章按照杆件坐标系规则通过对几何杆件结构的分析，利用齐次变换矩阵法建立了六自由度关节机器人的正运动学模型，求出了机器人末端相对于各自参考坐标系

35、的齐次坐标值，建立了在直角坐标空间内机器人系统末端执行器的位置和姿态与关节变量值的对应关系。该算法是机器人运动控制的基础，为控制器软件系统的算法程序模块提供了算法基础。 第四章 仿真系统软件开发本系统的开发软件：组态王 组态王软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，他们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。4.1组态王软件简介组态王软件应该能支持各种工控设备和常见的通讯协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。组态王软件应该是一个使用户能快速建立起自己的HIM软件工具，或开发环境。可以利用组态

36、王软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、阿实时控制、SCADA、通讯及联网、开放式数据接口、对I/O设备的广泛支持已经它主要内容，随着技术的发展，监控组态王软件将不断的被赋予新的内容，如图4-1。 图4-14.1.1组态王中的变量变量的基本类型共有两类：内存变量、I/O变量。I/O变量是指可与外部数据采集程序直接进行数据交换的变量，如下位机数据采集设备（如PLC、仪表等）或其它应用程序（如DDE、OPC服务器等）。这种数据交换是双向的、动态的，就是说：在“组态王”系统运行过程中，每当I/O变量的值改变时，该值就会自动写入下位机或其它应用程序；每当下位机或应用程

37、序中的值改变时，“组态王”系统中的变量值也会自动更新。所以，那些从下位机采集来的数据、发送给下位机的指令，比如“反应罐液位”、“电源开关”等变量，都需要设置成“I/O变量”。内存变量是指那些不需要和其它应用程序交换数据、也不需要从下位机得到数据、只在“组态王”内需要的变量，比如计算过程的中间变量，就可以设置成“内存变量”。4.1.2组态王中变量属性的定义 在工程浏览器中左边的目录树中选择“数据词典”项，右侧的内容显示区会显示当前工程中所定义的变量。双击“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框。组态王的变量属性由基本属性、报警配置、记录配置三个属性页组成。采用这种卡片式管理方式，用户只要用鼠标单

38、击卡片顶部的属性标签，则该属性卡片有效，用户可以定义相应的属性。“变量属性”对话框如下图所示4-2。图4-2单击“确定”按钮，则工程人员定义的变量有效时保存新建的变量名到数据库的数据词典中。若变量名不合法，会弹出提示对话框提醒工程人员修改变量名。单击“取消”按钮，则工程人员定义的变量无效，并返回“数据词典”界面。4.2机器人界面设计机器人演示界面,利用组态软件中的画图制作出如下4-3: 图4-34.2.1 机器人主界面设计机器人主界面如图4-4 所示，其主要功能是：1、利用组态软件中的控件完成各按钮的制作，并插入点位图。 2、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，

39、六个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；3、 点击“关节示教”按钮，跳到关节示教界面；4、点击“关节运动”按钮，跳到关节运动界面；5、点击“退出”，则退出整个系统。图4-44.2.2机器人关节示教界面设计机器人关节示教界面如图4-5所示，各控件功能为：1、打开组态软件的画面添加指示灯，采用控件Microsoft Slider Control Version 6.0来表示运行速度的大小；2、 启动计算机，运行机器人软件；3、点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的关节运动，六个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；在“速度”中选择示教速度(由左到右从低速到高速1.5度

40、/秒、6度/秒、12度/秒、24度/秒共四个挡，默认是6度/秒，一般情况下建议选择12度/秒)；在“关节运动”中有每个关节的正反向运动，持续按下相应关节的按钮，机器人的关节会按照指令运动，松开相应的按钮，机器人的关节会停止运动；4、在机器人“各关节状 态”和“当前坐标”中，可以实时显示机器人的运动状态，当每运动到一个点，必须按下“记录”按钮，在再现时机器人将忽略中间过程而只再现各个点，在“示教列表”中会记录并显示机器人相应关节运动的信息，继续运动其他关节，直到整个示教程序完成；5、点击“保存”按钮，示教完的信息以(*.RBT)格式保存在示教文件中；6、点击“再现”按钮，机器人按照记录的机器人关

41、节信息再现一遍运动轨迹；7、点击“清空”按钮会把示教列表全部清除。8、点击“退出”按钮，退出当前界面；9、点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；10、退出机器人软件，关闭计算机。图4-5 4.2.3 机器人关节运动的界面设计机器人关节运动界面如图4-6所示，各控件功能为1、 点击主界面“机器人复位”按钮，机器人进行回零运动。观察机器人的运动，六个关节全部运动完成后，机器人处于零点位置；2、 点击主界面“关节运动”按钮, 出现关节运动界面；3、 选择“关节”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取-120度，点击“启动”按钮，观

42、察机器人第关节运动情况；4、 选择“关节”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮，观察机器人第关节运动情况，然后点击“立即停止”按钮；5、 选择“关节”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取-120度，点击“启动”按钮，观察机器人第关节运动情况；6、 选择“关节”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮,观察机器人第关节运动情况，然后点击“立即停止”按钮；7、 选择“关节”，关节方向选择“正向”，启动

43、方式选择“加速”,运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取30度，点击“启动”按钮,观察机器人第关节运动情况；8、 选择“关节”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”,运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第关节运动情况，然后点击“立即停止”按钮；9、 选择“关节”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“匀速”,运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第关节运动情况；10、 选择“关节”，关节方向选择“反向”，启动方式选择“匀速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察

44、机器人第关节运动情况，然后点击“立即停止”按钮；11、 选择“关节”，关节方向选择“正向”， 启动方式选择“加速”， 运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第关节运动情况；12、 选择“关节”，关节方向选择“反向” ， 启动方式选择“加速”， 运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；13、 选择“关节”，关节方向选择“正向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“位置模式”，运行速度取默认值，目标位置取60度，点击“启动”按钮,观察机器人第关节运动情况；14、 选择“关节”

45、，关节方向选择“反向”，启动方式选择“加速”，运动方式选择“速度模式”，运行速度取默认值，点击“启动”按钮观察机器人第关节运动情况，然后点击“减速停止”按钮；15、 点击“退出”按钮，退出关节运动界面；16、 点击“机器人复位”按钮，使机器人回到零点位置；17、 退出机器人软件，关闭计算机。 图4-6 4.2.4正运动学分析界面机器人正运动学分析界面如图4-7所示，各控件功能为1、根据机器人坐标系的建立中得出的A矩阵，相乘后得到T矩阵，根据一一对应的关系，写出机器人正解的运算公式；2、运行机器人控制系统软件，点击“空间学计算”按钮，出现上图所示界面 ，在“关节角度”中相应的位置输入各个关节的变

46、量值，点击“正解计算”按钮，各个参数的值显示在“末端位姿”相应的框内；图4-74.3正运动学分析的部分程序在开始编码之前，除了静态文本和命令按钮之外，必须给每个控件指定变量。这些变量与应用程序互交，在编写代码时可将某些定值赋予给变量，从而使相应的控件得到更新。由于采用VC编程，在界面设置过程中，其主要程序如下，主要是针对控件“正向运动”来进行编程。部分程序如下：本站点C1=Cos(本站点1);本站点C2=Cos(本站点2);本站点C3=Cos(本站点3);本站点C4=Cos(本站点4);本站点C5=Cos(本站点5);本站点C6=Cos(本站点6);本站点s1=Sin(本站点1);本站点s2=

47、Sin(本站点2);本站点s3=Sin(本站点3);本站点s4=Sin(本站点4);本站点s5=Sin(本站点5);本站点s6=Sin(本站点6);本站点NX=(本站点C1*本站点C2*本站点C3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*(本站点C4*本站点C5*本站点C6-本站点s4*本站点s6)+本站点s1*(本站点s4*本站点C5*本站点C6+本站点C4*本站点s6)+(-本站点C1*本站点C2*本站点s3-本站点C1*本站点s2*本站点C3)*本站点s5*本站点C6;本站点NY=(本站点s1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点s3)*(本站点C4*本站点C5*本站点C

48、6-本站点s4*本站点s6)-本站点C1*(本站点s4*本站点C5*本站点C6+本站点C4*本站点s6)+(-本站点s1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点C3)*本站点s5*本站点C6;本站点NZ=(-本站点s2*本站点C3-本站点C2*本站点s3)*(本站点C4*本站点C5*本站点C6-本站点s4*本站点s6)+(本站点s2*本站点s3-本站点C2*本站点C3)*本站点s5*本站点C6;本站点OX=(本站点C1*本站点C2*本站点C3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*(-本站点C4*本站点C5*本站点s6-本站点s4*本站点C6)+本站点s1*(-本站点s4*本站

49、点C5*本站点s6+本站点C4*本站点C6)-(-本站点C1*本站点C2*本站点s3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*本站点s5*本站点s6;本站点OY=(本站点s1*本站点C2*本站点C3-本站点s1*本站点s2*本站点s3)*(-本站点C4*本站点C5*本站点C6-本站点s4*本站点C6)-本站点C1*(-本站点s4*本站点C5*本站点s6+本站点C4*本站点C6)-(-本站点s1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点s3)*本站点s5*本站点s6;本站点OZ=(-本站点s2*本站点C3-本站点C2*本站点s3)*(-本站点C4*本站点C5*本站点s6-本站点s4*

50、本站点C6)-(本站点s2*本站点s3-本站点C2*本站点C3)*本站点C5;本站点AX=-(本站点C1*本站点C2*本站点C3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5-本站点s1*本站点s4*本站点s5+(-本站点C1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点C3)*本站点C5;本站点AX=-(本站点C1*本站点C2*本站点C3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5-本站点s1*本站点s4*本站点s5+(-本站点C1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点C3)*本站点C5;本站点AY=-(本站点s1*本站点C2*本

51、站点C3-本站点s1*本站点s2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5+(本站点s2*本站点s3-本站点C2*本站点C3)*本站点C5;本站点AZ=-(-本站点s2*本站点C3-本站点C2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5+(本站点s2*本站点s3-本站点C2*本站点C3)*本站点C5;本站点PX=-86*(本站点C1*本站点C2*本站点C3-本站点C1*本站点s2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5-86*本站点s1*本站点s4*本站点s5+(-本站点C1*本站点C2*本站点s3-本站点C1*本站点s2*本站点C3)*(83+86*本站点C5)-90*本站点C1*本站点C2*本站点C3

52、+90*本站点C1*本站点s2*本站点s3-90*本站点C1;本站点PY=-86*(本站点s1*本站点C2*本站点C3-本站点s1*本站点s2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5+86*本站点C1*本站点s4*本站点s5+(-本站点s1*本站点C2*本站点s3-本站点s1*本站点s2*本站点C3)*(83+86*本站点C5)-90*本站点s1*本站点C2*本站点C3+90*本站点s1*本站点s2*本站点s3-90*本站点s1;本站点PZ=-86*(-本站点s2*本站点C3-本站点C2*本站点s3)*本站点C4*本站点s5+200+(本站点s2*本站点s3-本站点C2*本站点C3)*(83+8

53、6*本站点C5)+90*本站点s2*本站点C3+90*本站点C2*本站点s3;4.4本章总结本章重点介绍串联机器人软件方面的设计。首先对设计中用到的主要软件组态王进行了介绍： 1、组态王中的变量及其属性定义； 2、介绍了如何利用组态王的控件设计机器人的各个控制界面； 3、进行了正运动学分析，并附带部分程序。第五章 结论和展望5.1 设计总结在老师的指导下，完成这篇论文。在这篇论文中，主要涉及到如下的理论知识：1、机器人学的有关知识，特别是机器人运动学的知识。开始学习机器人学的时候，被它的频繁坐标变换和一些机器人杆件的几何参数及关节变量弄的晕头转向，更不用说是运动学的知识了。后来通过反复的研究及向老师请教，最终解决了这些疑问，为运动学的计算打下了基础。2、桌面串联机器人运动学计算处理。正向运动学矩阵的相乘运算，结果是唯一的。3、从熟悉组态软件的开发环境开始，到了解资源和资源编辑器、对话框、Windows标准控件，最后自己动手作出了机器人的主界面，关节运动界面，关节示教界面以及运动学分析的界面。 4、通过老师的帮助，与同学的交流并翻阅文献资料，我的论文中主要涉及到以上四个部分的内容，我试图详尽的将这个问题描述清楚，但是，还有一些工作没有做好。5.2 展望机器人轨迹规划的研究，在本次设计中，由于时间的关系，没有对轨迹规划做出研究。比如说在障碍物存在的条件下，关节坐标系规