六自由度三维扫描仪手臂式支架电气设计theelectricaldesignofsixdegreesoffreedomma
本文主要内容是设计三维扫描仪的机械臂的控制系统。首先分析了机械臂的发展意义及国内现状，然后解释了机械臂坐标系的建立。根据要求机械臂有6个自由度，能够实现三轴联动，结构紧凑，轻便灵活。分析刚体位姿描述和齐次变换，简单介绍了D-H算法和运动学方程。根据机械臂工况采用合适的驱动系统，确定机械臂的传动方案。根据驱动系统选择合适的驱动电机，并且采用PLC控制电机，完成对系统硬件和软件的设计。最后根据控制要求和工作情况利用labview软件建立机械臂的控制界面，完成系统框图的设计。关键词机械臂；控制系统；工作界面。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械臂定义 1
1.2国外研究现状 1
1.3国内研究现状 2
1.4机械手设计目的及意义 3
1.5本次机械臂的设计内容 4
第二章 刚体位姿描述和齐次变换 5
2.1 位置表示 5
2.2 方位表示 5
2.3 位姿描述 6
2.4 平移坐标变换 6
2.5 旋转坐标变换 7
2.6 复合变换 7
2.7 齐次坐标变换 7
第三章 机械臂硬件设计 9
3.1 相关技术参数与分类 9
3.1.1 相关技术参数 9
3.1.2 机械臂（机械手）的分类 9
3.1.3 机械臂的驱动方式 9
3.2 六自由度机械臂机械结构 10
3.2.1手臂设计原则 11
3.2.2机械臂基座设计原则 12
3.2.3机械臂基腕部的设计原则 12
3.3 工作原理 13
3.3.1 工作原理 13
3.3.2数据采集 13
3.3.3关节臂使用说明 13
3.4 电机的选择 14
3.5 步进电机的控制与接线 14
第四章 机械手运动学分析 19
4.1 机械手连杆变换和运动学方程 19
4.2 连杆之间的坐标变换 20
4.3 六自由度机械手正运动学分析 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
4.4 六自由度机械手逆运动学分析 21
4.5 雅克比矩阵 23
4.6 DH法及运动学方程 24
第五章 机械手控制系统的设计 28
5.1引言 28
5.2控制系统的形式及特点 28
5.3控制系统硬件设计 28
5.3.1各端口设计 29
5.3.2控制系统软件设计 29
第六章 基于labview的控制界面 36
6.1 Labview软件 36
6.2 界面设计的流程 36
6.2.1 前面板的设计 36
6.2.2 系统框图 37
6.3 本设计的任务 37
总 结 39
致 谢 40
参考文献 41
附 录 42
第一章 绪论
1.1机械臂定义
机械臂是人类历史上最早用于实际生产领域的机器人的一种类型。由于机械臂具有定位精确、工作高效、应用范围广等特点，已逐步取代了人工作业。如今机械臂更是走进了老百姓的日常生活，用途也日益多元化。
三维扫描仪是一种能够直接快速获取物体原始三维信息的计算机输入设备，在工业生产、影视制作、服装设计、医疗诊断等领域应用十分广泛。而三维扫描仪自身设备并不具备快速精确的到达扫描位置的能力，机械臂则能完美地实现将三维扫描仪送至工作位置对被测物体进行多方位扫描的功能。本设计把机械臂和三维扫描仪相结合，使得三维扫描仪可以更加全面的完成相应的扫描工作。
随着时代的进步，机械臂已渐渐推广至各个领域，包括电子电器行业、金属制造业、食品工业、橡胶及塑料工业等[1]。机械臂的发展不仅解放了劳动力，更是提高了产品的精度和质量。机械臂的研究和开发对我国的自动化水平的提高有着直接的影响，不论是经济层面还是技术层面来考虑都是十分必要的。
1.2国外研究现状
机械臂如今已经有将近80年的历史了，随着人类科技的进步，学科的多元发展，机械臂的研究越来越具有综合性，涉及范围越来越广。
传统的人工装配需要大量的手工操作，不仅费时费力、成本高昂，并且很容易出错。为了减轻这项装配任务中的手工操作，降低成本，提高可靠性，美国一家航天连接器制造商委托法拉克机器人系统集成商—公司为其开发了一套基于视觉的机器人单元，用于实现连接器装配过程的自动化。机器人搭载的末端执行器集成有三个主要部分：首先，为了捕捉零件的图像，在末端执行器上装有法拉克视觉系统并包含一台相机和环形照明灯。其次，一个工具快换装置，为位于临近工具架上的四个定制双端工具提供了一个真空电气和机械连接。最后，一个通用夹持器来装载和卸载托盘上所有种类的连接器。当系统扫描完条码并识别连接器类型后，机器人对第一个连接器进行拍照并通过数据库比对来确认此连接器是否为正确的连接器。随后，机器人抓取连接器并放置到钳子装配站中，连接器在该处被夹紧。机器人臂端上的相机再次捕获连接器的图像来确定夹具内连接器的位置和朝向，并准备将金属针脚和插头装配到连接器中。接着，机器人选择合适的末端执行器，从三个被照明供料振动台中的一个拾取金属针脚和插头。根据需要，系统还可以另外增加三个振动台。供料振动台通过振动将零件分开，这一过程使机器人视觉系统能够识别每个单独的零件。在每个零件的拾取过程中，机器人搬运零件经过一个矫直工具，以确保零件以正确的朝向处于末端执行器上。然后，每个零件被送到另一台相机下来捕获零件的图像，并确认其为正确的待插入针脚和插头。接着，机器人就将零件插入到连接器中直至其被完全安装。机器人继续装配连接器，直至所有的零件都装配完毕。一旦任务完成，机器人再将成品连接器放置到最初拾取连接器的托盘中的相同位置。当托盘中的所有连接器都装配完毕后，该托盘便被传送带运走，下一个托盘将进入该工位重复上述所有装配过程。
由于该系统的模块化性质，其可以很容易地调整，通过增加更多的供料振动台来适应更多不同种类的金属针脚和插头装配任务。通过对视觉系统进行少量修改，例如在供料振动台上方增加相机，也能在需要的时候提高系统的吞吐速度。
总体上看，国外的各类型机械臂虽然在各自的领域已经达到了很高的水平，但是智能化的程度还有巨大的空间，研究需要继续下去，与其他学科融合，达到更惊人的效果。
目 录
第一章 绪论 1
1.1机械臂定义 1
1.2国外研究现状 1
1.3国内研究现状 2
1.4机械手设计目的及意义 3
1.5本次机械臂的设计内容 4
第二章 刚体位姿描述和齐次变换 5
2.1 位置表示 5
2.2 方位表示 5
2.3 位姿描述 6
2.4 平移坐标变换 6
2.5 旋转坐标变换 7
2.6 复合变换 7
2.7 齐次坐标变换 7
第三章 机械臂硬件设计 9
3.1 相关技术参数与分类 9
3.1.1 相关技术参数 9
3.1.2 机械臂（机械手）的分类 9
3.1.3 机械臂的驱动方式 9
3.2 六自由度机械臂机械结构 10
3.2.1手臂设计原则 11
3.2.2机械臂基座设计原则 12
3.2.3机械臂基腕部的设计原则 12
3.3 工作原理 13
3.3.1 工作原理 13
3.3.2数据采集 13
3.3.3关节臂使用说明 13
3.4 电机的选择 14
3.5 步进电机的控制与接线 14
第四章 机械手运动学分析 19
4.1 机械手连杆变换和运动学方程 19
4.2 连杆之间的坐标变换 20
4.3 六自由度机械手正运动学分析 21
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
4.4 六自由度机械手逆运动学分析 21
4.5 雅克比矩阵 23
4.6 DH法及运动学方程 24
第五章 机械手控制系统的设计 28
5.1引言 28
5.2控制系统的形式及特点 28
5.3控制系统硬件设计 28
5.3.1各端口设计 29
5.3.2控制系统软件设计 29
第六章 基于labview的控制界面 36
6.1 Labview软件 36
6.2 界面设计的流程 36
6.2.1 前面板的设计 36
6.2.2 系统框图 37
6.3 本设计的任务 37
总 结 39
致 谢 40
参考文献 41
附 录 42
第一章 绪论
1.1机械臂定义
机械臂是人类历史上最早用于实际生产领域的机器人的一种类型。由于机械臂具有定位精确、工作高效、应用范围广等特点，已逐步取代了人工作业。如今机械臂更是走进了老百姓的日常生活，用途也日益多元化。
三维扫描仪是一种能够直接快速获取物体原始三维信息的计算机输入设备，在工业生产、影视制作、服装设计、医疗诊断等领域应用十分广泛。而三维扫描仪自身设备并不具备快速精确的到达扫描位置的能力，机械臂则能完美地实现将三维扫描仪送至工作位置对被测物体进行多方位扫描的功能。本设计把机械臂和三维扫描仪相结合，使得三维扫描仪可以更加全面的完成相应的扫描工作。
随着时代的进步，机械臂已渐渐推广至各个领域，包括电子电器行业、金属制造业、食品工业、橡胶及塑料工业等[1]。机械臂的发展不仅解放了劳动力，更是提高了产品的精度和质量。机械臂的研究和开发对我国的自动化水平的提高有着直接的影响，不论是经济层面还是技术层面来考虑都是十分必要的。
1.2国外研究现状
机械臂如今已经有将近80年的历史了，随着人类科技的进步，学科的多元发展，机械臂的研究越来越具有综合性，涉及范围越来越广。
传统的人工装配需要大量的手工操作，不仅费时费力、成本高昂，并且很容易出错。为了减轻这项装配任务中的手工操作，降低成本，提高可靠性，美国一家航天连接器制造商委托法拉克机器人系统集成商—公司为其开发了一套基于视觉的机器人单元，用于实现连接器装配过程的自动化。机器人搭载的末端执行器集成有三个主要部分：首先，为了捕捉零件的图像，在末端执行器上装有法拉克视觉系统并包含一台相机和环形照明灯。其次，一个工具快换装置，为位于临近工具架上的四个定制双端工具提供了一个真空电气和机械连接。最后，一个通用夹持器来装载和卸载托盘上所有种类的连接器。当系统扫描完条码并识别连接器类型后，机器人对第一个连接器进行拍照并通过数据库比对来确认此连接器是否为正确的连接器。随后，机器人抓取连接器并放置到钳子装配站中，连接器在该处被夹紧。机器人臂端上的相机再次捕获连接器的图像来确定夹具内连接器的位置和朝向，并准备将金属针脚和插头装配到连接器中。接着，机器人选择合适的末端执行器，从三个被照明供料振动台中的一个拾取金属针脚和插头。根据需要，系统还可以另外增加三个振动台。供料振动台通过振动将零件分开，这一过程使机器人视觉系统能够识别每个单独的零件。在每个零件的拾取过程中，机器人搬运零件经过一个矫直工具，以确保零件以正确的朝向处于末端执行器上。然后，每个零件被送到另一台相机下来捕获零件的图像，并确认其为正确的待插入针脚和插头。接着，机器人就将零件插入到连接器中直至其被完全安装。机器人继续装配连接器，直至所有的零件都装配完毕。一旦任务完成，机器人再将成品连接器放置到最初拾取连接器的托盘中的相同位置。当托盘中的所有连接器都装配完毕后，该托盘便被传送带运走，下一个托盘将进入该工位重复上述所有装配过程。
由于该系统的模块化性质，其可以很容易地调整，通过增加更多的供料振动台来适应更多不同种类的金属针脚和插头装配任务。通过对视觉系统进行少量修改，例如在供料振动台上方增加相机，也能在需要的时候提高系统的吞吐速度。
总体上看，国外的各类型机械臂虽然在各自的领域已经达到了很高的水平，但是智能化的程度还有巨大的空间，研究需要继续下去，与其他学科融合，达到更惊人的效果。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/jdgc/639.html
