【毕业设计】关节旋转式机械手控制系统与MCGS仿真 ㊣ 精品文档 值得下载

械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展，并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。

国外方面近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。

机械手性能不断提高，而单机价格不断下降机械结构向模块化可重构化发展控制系统向基于机的开放型控制器方向发展传感器作用日益重要虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真预演发展到用于过程控制。

国内方面目前在些机种方面，如喷涂机械手弧焊机械手点焊机械手搬运机械手装配机械手特种机械手水下爬壁管道遥控等机械手基本掌握了机械手操作机的设计制造技术，解决了控制驱动系统的设计和配置，软件的设计和编制等关键技术，还掌握了自动化喷漆线弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信协调控制技术在基础元件方面，谐波减速器机械手焊接电源焊缝自动跟踪装置也有了突破。

从技术方面来说，我国已经具备了自主发展中国机械手技术的基础。

第二章机械手控制方式的选择和可编程序控制器简介机械手控制方式的选择控制方式的分类传统的工业设备自动控制主要由继电器或分立的电子线路来实现，这种控制方式投资相对少些，目前仅在些旧式的简单的工业设备中还有定市场，但该控制方式却有以下致命缺陷仅适合于简单的逻辑控制仅适合特殊的工程项目，而没有通用性没有改动和优化的可能性。

伴随着工业自动化技术的迅速发展，我国工业领域的自动化已经基本实现了从继电器控制到计算机控制的转变，计算机控制方式具有以下两个特点硬件上至少有个微处理器通过软件实现控制思想。

目前，工业自动化领域比较典型的控制方式有可编程序逻辑控制器工业控制计算机集散控制系统。

与工业控制计算机和集散控制系统的比较各自技术发展的起源计算机是为了满足快速大量数据处理要求的设备。

硬件结构方面，总线标准化程度高，兼容性强，软件资源丰富，特别是有实时操作系统的支持，故对要求快速实时性强模型复杂和计算工作量大的工业对象的控制占有优势。

集散系统从工业自动化仪表控制系统发展到以工业控制计算机为中心的集散系统，所以其在模拟量处理回路调节方面具有定优势，初期主要用在连续过程控制，侧重回路调节功能。

是由继电器逻辑系统发展而来，主要应用在工序控制上，初期主要是代替继电器控制系统，侧重于开关量顺序控制方面。

近年来随着微电子技术大规模集成电路技术计算机技术和通信技术等的发展，在技术和功能上发生了飞跃。

在初期逻辑运算的基础上，增加了数值运算闭环调节等功能，增加了模拟量和调节等功能模块运算速度提高，的能力赶上了工业控制计算机通信能力的提高发展了多种局部总线和网络，因而也可构成为个集散系统。

特别是个人计算机也被夹收到系统中。

在过程控制的发展将是智能变送器和现场总线，暨向下拓展功能，开放总线。

相同点在微电子技术发展的背景下，从硬件的角度来看，工业计算机集散系统之间的差别正在缩小，都将由类似的些微电子元件微处理器大容量半导体存储器和模件组成。

编程方面也有很多相同点。

不同点由于和计算机属于两类产品，经过几十年的发展都形成了自身的装置特点和软件工具，实际上它们的区别仍然存在。

用编程器或计算机编程，编程语言是梯形图功能块图顺序功能表图和指令表等。

集散系统自身或用计算机结构形成组态构成开发系统环境。

特别需要提出的是，与总线工控机的区别，无论从维修安装和模件功能都很相似。

更适用于黑模式下运行，但在线运行时若要进行较大的程序修改，其能力略逊于工控机，但是从开关量控制而言，的性能优于工控机。

总的来说，在选择控制器时，首先要从工程要求现场环境和经济性等方面考虑。

没有哪种控制器是绝对完善的，也没有哪种产品绝对差，只能说根据不同的环境选择更适用的产品。

机械手控制方式的选择实现的自动控制系统，其控制功能基本都是通过设计软件来实现的，这种软件是利用厂商提供的指令系统，根据机械设备的工艺流程来设计。

自问世以来，经过多年的发展，在美国欧洲日本等工业发达国家已成为重要产业，当前，在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制畅销产品，用设计自动控制系统已成为世界潮流。

之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求高可靠性强抗各种干扰的能力。

编程安装使用简便低价格长寿命。

比之单片机，它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。

的下端输入端为继电器晶体管和晶闸管等控制部件，而上端般是面向用户的微型计算机。

人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程，用来完成各种各样的复杂程度不同的工业控制任务。

具有很多的优点。

机械手控制系统若采用控制，体积小重量轻控制方式灵活可靠性高操作简单维修容易。

由于所具有的灵活性模块化易于扩展等特点，可以根据现场要求实现机械手的不同工作要求。

机械手采用控制技术，可以大大提高该系统的自动化程度，减少了大量的中间继电器时间继电器和硬件接线，提高了控制系统的可靠性。

同时，用控制系统可方便地更改生产流程，增，附录汉语翻译机器人机器人是典型的机电体化装置，它综合运用了机械与精密机械微电子与计算机自动控制与驱动传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机器人产品。

机器人产品的实用化，既解决了许多单靠人力难以解决的实际问题，又促进了工业自动化的进程。

目前，由于机器人的研制和开发涉及多方面的技术，系统结构复杂，开发和研制的成本普遍较高，在种程度上限制了该项技术的广泛应用，因此，研制经济型实用化高可靠性机器人系统具有广泛的社会现实意义和经济价值。

由于我国经济建设和城市化的快速发展，城市污水排放量增长很快，污水处理己经摆在了人们的议事日程上来。

随着科学技术的发展和人类知识水平的提高，人们越来越认识到污水处理的重要性和迫切性，科学家和研究人员发现塑料制品在水中是用于污水处理的很有效的污泥菌群的附着体。

塑料制品的大量需求，使得塑料制品生产的自动化和高效率要求成为经济发展的必然。

近几年机器人技术研究和发展，在充分发挥机电软硬件各自特点和优势互补的基础上，对物料抓取机械手整体机械结构传动系统驱动装置和控制系统进行了分析和设计，提出了套经济型设计方案。

采用直角坐标和关节坐标相结合的框架式机械结构形式，这种方式能够提高系统的稳定性和操作灵活性。

传动装置的作用是将驱动元件的动力传递给机器人机械手相应的执行机构，以实现各种必要的运动，传动方式上采用结构紧凑传动比大的蜗轮蜗杆传动和将旋转运动转换为直线运动的螺旋传动。

机械手驱动系统的设计往往受到作业环境条件的限制，同时也要考虑价格因素的影响以及能够达到的技术水平。

由于步进电机能够直接接收数字量，响应速度快而且工作可靠并无累积误差，常用作数字控制系统驱动机构的动力元件，因此，在驱动装置中采用由步进电机构成的开环控制方式，这种方式既能满足控制精度的要求，又能达到经济性实用化目的，在此基础上，对步进电机的功率计算及选型问题经行了分析。

在完成机械结构和驱动系统设计的基础上，对物料抓取机械手运动学和动力学进行了分析。

运动学分析是路径规划和轨迹控制的基础，对操作臂进行了运动学正逆问题的分析可以完成操作空间位置和速度向驱动空间的映射，采用齐次坐标变换法得到了操作臂末端位置和姿态随关节夹角之间的变换关系，采用几何法分析了操作臂的逆向运动学方程求解问题，对控制系统设计提供了理论依据。

机器人动力学是研究物体的运动和作用力之间的关系的科学，研究的目的是为了满足是实时性控制的需要，采用牛顿欧拉方法对物料抓取机械手动力学进行了分析，计算出了关节力和关节力矩，为步进电机的选型和动力学分析与结构优化提供理论依据。

控制部分是整个物料抓取机械手系统设计关键和核心，它在结构和功能上的划分和实现直接关系到机器人系统的可靠性实用性，也影响和制约机械手系统的研制成本和开发周期。

在控制主机的选用上，采用结构紧凑扩展功能强和可靠性高的工业控制计算机作为主机，配以卡主要承担系统功能初始化数据运算与处理步进电机驱动以及故障诊断等功能同时对卡的结构特点功能原理和其高定位功能等给与了分析。

硬件是整个控制系统以及极限位置功能赖以存在的物质基础，软件则是计算机控制系统的神经中枢，软件设计的目的是以最优的方式将各部分功能有机的结合起来，使系统具有较高的运行效率和较强的可靠性。

在物料抓取机械手软件的设计上，采用的是模块化结构，分为系统初始化模块数据处理模块和故障状态检测与处理等几部分。

主控计算机和各控制单元之间全部由卡联系，并且由该卡实现抗干扰等问题，减少外部信号对系统的影响。

步进电机的启停频率远远小于其最高运行频率，为了提高工作效率，需要步进电机高速运行并快速启停时，必须考虑它的升，降速控制问题。

电机的升降速控制可以归结为以种合理的力式控制发送到步进电机驱动器的脉冲频率，这可由硬件实现，也可由软件方法来实现。

本文提出了种算法简单易于实现理论意义明确的步进电机变速控制策略定时器常量修改变速控制方案。

该方法能使步进电机加速度与其力矩频率曲线较好地拟合，从而提高变速效率。

而且它的计算量比线性加速度变速和基于指数规律加速度的变速控制小得多。

研究机械手控制的目的是保持以计算机为基础的机械手的动态响应，以便与些预先设定的系统性能和理想目标保持致。

般情况下，机械手的动态性能直接依赖于控制算法的效率和机械手的动态模型。

控制问题包括获得自然的机械手系统的动态模型，然后指定相应的控制规则或步骤以达到想要的系统响应和性能。

动态模型的应用机械手可以动态处理机械手运动的数学上的方程式。

机械手运动的动态方程式是系列描述机械手实时行为的方程式。

这些运动方程式有助于计算机对机械手运动的模拟合适的机械手控制方程式的设计以及对机械手结构和运动学设计的评估。

臂的实际动态模型可以从已知的物理定律例如牛顿定律和拉格朗日分析力学获得。

这导致了在连接的固定的几何和惯性参数下各种铰接式连接的机械手运动动态方程式的发展。

传统方法上，像拉格朗日欧拉和牛顿欧拉方程就可以有系统地被应用于开发实际的机械手运动方程式。

这些运动方程式描述了相同的物理机器人的动态行为，在这个意义上，它们彼此相等。

然而，因为这些公式被获得的多样化的原因和目的，它们的结构可能不相同。

些数据被获得以实现在对伺服机械手的名义联合扭矩的评估中的快速计算时间另外些数据被获得以便利于控制分析和综合还些数据被获得以改善机器人运动的计算机仿真。

基于方程的机械手动态模型的发展是简明而且系统化的。

假设刚性运动，由此产生的运动方程式，将电子控制设备的动力学反冲齿轮摩擦排除在外，是组二阶耦合非线性微分方程。

这组方程可以被应用于机器人连接的顺序排列。

该方程最有意义的结果是普遍的力力矩的计算时间是线性正比于机械臂连接的数量和机械臂的配置。

按照这算法，可以实现在联合变量空间内机械臂的简单的实时控制。

方程产生了组非常有效的回归方程，但是它们很难应用于衍生高级控制规则。

另种获取有效的明确运动方程的途径是基于广义达