机电一体化综合训练-两自由度机械臂控制系统实

两自由度机械臂控制系统实习实习目的、任务及要求1.1目的1.11学习机电控制技术，了解机电一体化设备的基本结构，控制方式和工业机器人的基本控制原理。1.12学习研究系统基础硬件构成。了解各部件名称、功能、选型依据和使用方法。了解网络系统配置及操作特点。1.13学习研究系统基础软件，了解控制软件平台，了解示教再现控制方式及其演示软件。学习对机器人控制中两种坐标空间运动模式的操作设计。1.14通过机械臂的操作使用，了解部分控制器件的功能、使用方法和基本控制原理。了解机械臂素描绘图控制的图像处理技术。1.15通过编程训练，学习工业机器人控制绘图语言的基本编程方法，了解机械臂绘图的基本算法。1.2任务及要求1.21测定机械臂结构，描述机械传动部分的结构形式、运动模式及减速器的结构原理。绘出机构运动示意图。1.22了解机械臂控制系统电器控制部分的主要器件,绘制控制系统框图.标注各部件的主要功能、型号及参数。1.23学习使用鼠标、手写板和摄像头控制机械臂绘制图案文字和素描肖像。1.24学习编写控制程序。设计绘图程序，控制机械臂绘出实际图形。实习内容2.1实习设备硬件：GRB2002机械臂系统一套、PC机一台、GT-400-SG-PCI/ISA型四轴脉冲型开环运动控制卡、GCB-100两轴驱动电气箱、彩色显示器、鼠标。软件：WindowsXP操作系统、运动控制器Windows驱动程序和运动控制动态连接库、机器人图形示教和语言编程软件。2.2实习内容2.21测定机械臂结构GRB200机器人关节1长度200mm,运动范围±100°，关节2连杆长度150mm,运动范围±50°。2.22机械传动部分的结构形式二自由度机械臂只有两个旋转运动关节，在第二个旋转运动关节的末端安装了笔和笔架便于验证机械臂末端的运动轨迹，主要使用交流伺服电机和谐波减速器驱动，交流伺服电机运转平稳，输出力矩恒定，过载能力强，加速性能好，可以取得很高的控制精度，交流伺服电机轴后端带有标准2500线增量式光电编码器，控制精度远高于步进电机。2.23机械传动部分的运动模式机器人的空间坐标直接由各个关节的坐标来确定，所有关节变量构成一个关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节坐标空间。因此关节坐标空间运动就是直接操作各个关节的来完成机器人动作的运动。.2.24机械传动部分减速器的结构原理谐波减速传动是一种依靠齿轮的弹性变形运动来达到传动目的的新型传动方式，它具有重量轻、结构简单、传动比大、承载力强、运转平稳和运动精度高等特点。谐波减速传动的工作原理：谐波传动包括三个基本构件：波发生器、柔轮、刚轮。三个构件可任意固定一个，其余两个一为主动、一为从动，可实现减速或增速（固定传动比），也可变换成两个输入，一个输出，组成差动传动。

当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时：柔轮在椭圆凸轮作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在短轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在波发生器长轴与短轴的区间，柔轮轮齿与刚轮轮齿有的处于半啮合状态，称为啮入；有的则逐渐退出啮合处于半脱开状态，称为啮出。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。谐波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入—啮合—啮出—脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。2.25机构运动示意图在PC机的控制下，程序通过一轴编码器、二轴编码器，分别驱动交流伺服电机、步进电机工作，再通过谐波齿轮减速器驱动大小机械臂转动，小机械臂带动画笔工作，当画笔间断工作时，电磁铁便工作，提起画笔，最终完成所做的任务。两自由度机械臂自由度计算:根据机构运动示意图可知空间机构共有6个活动构件，n=6，P5=5，P3=3.则机械臂的空间自由度为：F=6n-(5*P5+3*P3)=6×6-(5×5+3×3)=2故该机械臂的自由度为2，即两自由度机械臂。2.26机械臂控制系统电器控制部分的主要器件,控制系统框图及各部件的主要功能、型号及参数。（1）机械臂控制系统电器控制部分的主要器件有PC机、GT-400-SG运动控制卡、伺服驱动器、增量式光电编码器、交流伺服电机。（2）控制系统框图如图所示：（3）各部件的主要功能、型号及参数PC机：功能是发出位置和轨迹指令,负责人机界面的管理和其它管理工作.运动控制卡：运动控制卡接收PC机发出的位置和轨迹指令，进行规划处理，转化成伺服驱动器可以接收的指令格式，发给伺服驱动器。其型号为GT-400-SG-PCI/ISA。特点：四轴最小插补周期为200微秒，单轴点位运动最小控制周期为25微秒，运动方式：单轴点位运动、直线插补、圆弧插补、速度控制、手脉输入、电子齿轮，可编程梯形曲线规划和S曲线规划，在线刷新运动控制参数所有计算参数和轨迹规划参数均为32位用户可定义坐标系，便于编程。伺服驱动器：将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动地循环供给电动机各相绕组，以驱动电动机转子正反向旋转。型号为PanasonicMADDT1205003200V输入输出电压200~240V69.4V电阻1Φ3Φ电流1.3A1.2A频率50/60Hz0~333.3HZ功率100W增量式光电编码器：测出被测轴的相对转角和转动方向，并发出脉冲信号。特点：增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会输出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。CONT.TRQUE0.16NMRATINGS1INS.CLASSB(TUV)A(UL)IP65CONNECTIONSER.NO.05070028N交流伺服电机：为系统提供驱动动力，其型号为松下交流伺服电动机。型号为PanasonicMSMD5AZP1U输入电压3ΦAC43V输入电流1.1A输出功率0.05KW励磁频率200Hz额定转速3000r/min光电开关传感器:光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。型号：日本欧姆龙EE-SPY412输入电压5~24VDC输出信号80mA/1V,10mA/0.4V检测精度5mm2.27机器人的运动学分析机器人控制就是控制机器人各连杆、各关节等彼此之间的相对位置和各连杆、各关节的运动速度以及输出力的大小，这就涉及到各连杆、关节工作对象、工作台、及参考基准等彼此之间的相对位置关系。机器人运动学专门研究机器人的运动规律，而在研究中不考虑产生此运动的力和力矩。机械手的位姿描述有两种——关节坐标空间和直角坐标空间。当机器人各关节的坐标给定时，求解这些坐标在以机器人的末端执行器的位姿为基础的基准坐标系中如何表示的问题是正向运动学；反之，当末端执行器的位姿在基准坐标系给定时求出相对应的各关节的坐标就是机器人逆运动学研究的内容。其中逆运动学求解在机械手控制中占有重要地位，它直接关系到运动分析、离散编程、轨迹规划等。通常机械手的期望轨迹都是在笛卡儿坐标系中描述的，因此逆运动学的求解更为关键。机器人逆运动学解法：逆运动学的解法有封闭解法和数值解法两种。在末端位姿已知的情况下，封闭解法可以给出每个关节变量的数学函数表达式；数值解法则使用递推算法给出关节变量的具体数值，速度快、效率高，便于实时控制。下面用几何解法求解运动学逆解。几何解法：因为机器人测量关节的编码器是增量式而不是绝对式的，因此在每次执行程序时首先必须进行机器人回零。为了在关节坐标空间与直角坐标空间进行转换，机器人回零后，认为其关节1和关节2与X轴重合，关节1与关节2的关节坐标均为0°，这样可以方便的在关节坐标空间与直角坐标空间之间转换。（1）运动学正解：（以GRB200机械臂为例）数学表达式如下：其中,x：关节2末端在直角坐标空间中的X轴坐标值；y：关节2末端在直角坐标空间中的Y轴坐标值；q1：关节坐标空间中关节1的坐标值；q2：关节坐标空间中关节2的坐标值；l1：关节1的长度，为200mm；2：关节2的长度，为150mm（GRB400关节2长度为200mm）；根据关节1、关节2的关节坐标值1q，2q，用运动学方程式（式1）可以计算出机器人关节2末端，即绘图笔末端点在XY平面的位置，这是机器人运动学正解。（2）运动学反解：进行机器人末端点的轨迹控制，必须进行运动学反解，即：根据点P(x，y)计算各关节的变量q1，q2值。用余弦公式根据图2-33上的关系及式1，可以得到：得到运动学反解的计算公式：绘图程序的设计1．写轮眼程序VARfloati;floatj;floatd;floatr;floatx;floaty;floata,b;floatp;BEGINi=0;d=15;p=3.1415926;r=50;a=160;b=120;while(i<41){x=a-r*cos(d*p/180);y=b+r*sin(d*p/180);LineTo(x,y);i=i+1;d=d+9;}a=160;b=120;d=50;r=100;i=0;x=a-r*cos(d*p/180);y=b+r*sin(d*p/180);MoveTo(x,y);while(i<42){x=a-r*cos(d*p/180);y=b+r*sin(d*p/180);LineTo(x,y);i=i+1;d=d+9;}i=0;d=30;p=3.1415926;r=100;x=160;y=120;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<4){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+120;}i=0;a=320-a;b=240-b;MoveTo(a,b);while(i<4){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);a=320-a;b=240-b;LineTo(a,b);i=i+1;d=d+120;}i=0;d=15;p=3.1415926;r=50;a=160;b=120;j=0;while(j<=180){MoveTo(x-r*cos(j*p/180),y-r*sin(j*p/180));LineTo(x+r*cos(j*p/180),y+r*sin(j*p/180));j=j+1;}END2、五星红旗迎风飘扬VARfloati;floatd;floatr;floatx;floaty;floata,b;floatp;BEGINi=75;p=3.1415926;r=100;x=80;y=200;MoveTo(x+r*cos(i*p/180),y-r*sin(i*p/180));while(i<=105){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=75;p=3.1415926;r=100;x=80;y=250;MoveTo(x+r*cos(i*p/180),y-r*sin(i*p/180));while(i<=105){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=255;p=3.1415926;r=100;x=80-2*r*cos(i*p/180);y=200+2*r*sin(i*p/180);MoveTo(x+r*cos(i*p/180),y-r*sin(i*p/180));while(i<=285){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=255;p=3.1415926;r=100;x=80-2*r*cos(i*p/180);y=250+2*r*sin(i*p/180);MoveTo(x+r*cos(i*p/180),y-r*sin(i*p/180));while(i<=285){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}LineTo(a,200+2*r*sin(255*p/180)-r*sin(285*p/180));MoveTo(80-r*cos(75*p/180),200-r*sin(75*p/180));LineTo(80-r*cos(75*p/180),300-r*sin(75*p/180));i=0;d=18;p=3.1415926;r=10;x=80;y=115;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<6){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+144;}i=0;d=18;p=3.1415926;r=5;x=85;y=140;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<6){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+144;}i=0;d=18;p=3.1415926;r=5;x=95;y=135;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<6){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+144;}i=0;d=18;p=3.1415926;r=5;x=105;y=125;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<6){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+144;}i=0;d=18;p=3.1415926;r=5;x=110;y=110;a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);MoveTo(a,b);while(i<6){a=x+r*cos(d*p/180);b=y-r*sin(d*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;d=d+144;}END3、五环程序VARfloati;floatr;floatx;floaty;floata,b;floatp;BEGINi=0;p=3.1415926;r=30;x=110;y=80;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=0;p=3.1415926;r=30;x=155;y=80;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=0;p=3.1415926;r=30;x=200;y=80;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=0;p=3.1415926;r=30;x=132.5;y=118.5;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}i=0;p=3.1415926;r=30;x=177.5;y=118.5;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+1;}END4、机电3人组VARfloati;floatr;floatx;floaty;floatp;floata;floatb;BEGINMoveTo(67,55);LineTo(67,105);MoveTo(55,71);LineTo(79,71);MoveTo(67,71);LineTo(55,100);MoveTo(67,71);LineTo(79,100);MoveTo(82,68);LineTo(82,105);MoveTo(82,68);LineTo(93,68);LineTo(93,105);LineTo(100,105);LineTo(100,100);MoveTo(140,70);LineTo(140,90);LineTo(170,90);LineTo(170,70);LineTo(140,70);MoveTo(140,80);LineTo(170,80);MoveTo(155,55);LineTo(155,103);LineTo(180,103);LineTo(180,95);MoveTo(215,70);LineTo(215,100);LineTo(230,100);LineTo(230,70);LineTo(215,70);MoveTo(235,70);LineTo(235,100);LineTo(250,100);LineTo(250,70);LineTo(235,70);MoveTo(235,85);LineTo(250,85);MoveTo(255,70);LineTo(270,70);LineTo(270,85);LineTo(255,85);LineTo(255,100);LineTo(272,100);MoveTo(166,150);LineTo(175,180);LineTo(184,150);LineTo(193,180);LineTo(202,150);i=0;p=3.1415926;r=15;x=222.5;y=165;MoveTo(x,y-r);while(i<=180){a=x-r*sin(i*p/180);b=y-r*cos(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+4;}MoveTo(222.5,150);LineTo(228,150);MoveTo(222.5,179);LineTo(228,179);MoveTo(233,150);LineTo(252,150);LineTo(233,179);LineTo(254,179);END5、太极VARfloati,j,k;floatr,t;floatx;floaty;floatx1;floaty1;floatx2;floaty2;floata,b,a2,b2,c,d,c2,d2,;floatp;BEGINi=0;p=3.1415926;r=100;x=160;y=120;while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+2;}MoveTo(60,120);i=180;p=3.1415926;r=50;x=110;y=120;while(i>=0){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i-2;}i=180;p=3.1415926;r=50;x=210;y=120;while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+2;}MoveTo(125,120);i=0;j=180;p=3.1415926;r=15;x=110;y=120;x1=110;y1=120;while(i<=180){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);c=x1+r*cos(j*p/180);d=y1-r*sin(j*p/180);LineTo(c,d);LineTo(a,b);i=i+1;j=j+1;}MoveTo(195,120);i=180;k=180;p=3.1415926;r=15;t=50;x=210;y=120;x2=210;y2=120;while(i<=360){a2=x+r*cos(i*p/180);b2=y-r*sin(i*p/180);c2=x2+t*cos(k*p/180);d2=y2-t*sin(k*p/180);LineTo(c2,d2);LineTo(a2,b2);i=i+0.5;k=k+0.5;}MoveTo(225,120);i=0;k=0;p=3.1415926;r=15;t=100;x=210;y=120;x2=160;y2=120;while(i<=135){a2=x+r*cos(i*p/180);b2=y-r*sin(i*p/180);c2=x2+t*cos(k*p/180);d2=y2-t*sin(k*p/180);LineTo(c2,d2);LineTo(a2,b2);i=i+0.4;k=k+0.4;}MoveTo(195,120);i=180;k=0;p=3.1415926;r=15;t=50;x=210;y=120;x2=110;y2=120;while(i>=123){a2=x+r*cos(i*p/180);b2=y-r*sin(i*p/180);c2=x2+t*cos(k*p/180);d2=y2-t*sin(k*p/180);LineTo(c2,d2);LineTo(a2,b2);i=i-1;k=k+1;}MoveTo(60,120);i=180;k=180;p=3.1415926;r=50;t=100;x=110;y=120;x2=160;y2=120;while(k>=45){a2=x+r*cos(i*p/180);b2=y-r*sin(i*p/180);c2=x2+t*cos(k*p/180);d2=y2-t*sin(k*p/180);LineTo(c2,d2);LineTo(a2,b2);i=i-1;k=k-1;}END6、jiongVARfloati;floatr;floatx;floaty;floatp;floata;floatb;BEGINMoveTo(200,160);LineTo(200,80);LineTo(120,80);LineTo(120,160);LineTo(200,160);MoveTo(150,90);LineTo(130,110);MoveTo(170,90);LineTo(190,110);MoveTo(180,150);LineTo(180,120);LineTo(140,120);LineTo(140,150);LineTo(180,150);MoveTo(150,120);LineTo(150,135);LineTo(155,135);LineTo(155,120);MoveTo(165,120);LineTo(165,135);LineTo(170,135);LineTo(170,120);MoveTo(160,80);LineTo(160,30);MoveTo(140,80);LineTo(120,40);MoveTo(180,80);LineTo(200,40);i=0;p=3.1415926;r=30;x=270;y=190;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+2;}i=0;r=9;x=257;y=185;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+2;}i=0;r=9;x=283;y=185;MoveTo(x+r,y);while(i<=360){a=x+r*cos(i*p/180);b=y-r*sin(i*p/180);LineTo(a,b);i=i+2;}MoveTo(265,185);LineTo(274,185);MoveTo(248,185);LineTo(238,183);MoveTo(292,185);LineTo(302,183);MoveTo(270,196);LineTo(265,204);LineTo(270,212);LineTo(275,204);LineTo(270,196);MoveTo(50,190);LineTo(65,190);LineTo(65,205);LineTo(50,205);LineTo(50,220);LineTo(65,220);MoveTo(74,190);