一种五自由度机械手控制系统的设计与实现

摘要

本设计为一种五自由度机械手的控制系统，系统以日本三菱公司早年生产的RV-M1C机械手为控制对象（原控制系统已损坏，无法修复）。控制系统主要是由PC机、PLC、触摸屏、编码信号适配板等组成。PC机作为主上位机用于完成机械手位姿的运算及控制指令的发送，触摸屏作为辅助上位机，使系统可脱离PC机完成相关参数的设定及指令发送。PLC是核心控制模块，一方面接收来自于PC机、触摸屏的位姿参数及控制指令，另一方面通过编码信号适配电路对机械手各关节电机的编码信号进行采集处理，同时执行PLC用户程序给出各关节电机的控制信号。系统通过上位机与下位机的配合，以半闭环的方式控制机械手实现指定的动作。当指定机械手末端执行装置目标位置的空间坐标后，通过辅助切线的方法，分别求出肩关节、肘关节转动的取值范围，列出空间坐标系的旋转矢量方程，确定末端执行器能够到达指定空间坐标的肩关节、肘关节、腕关节的取值组合，最后根据“大臂小动、小臂大动”的原则，求出机械手的最佳位姿。用该方法求解位姿不需要使用运动学方程正解的结果，而且程序编写更为简单，运算速度更快。位姿的求解运算通过C#编写的算法程序在PC机中完成。PLC对各关节电机编码信号的接收由一个高速计数器配以相应的选通信号实现。为提高运行速度，PC机与PLC间的数据传送采用直接读写PLC相关软器件的方式。该控制系统可用于工业生产中相同结构的五自由度机械手的实际控制，同时，由于其模块式开放设计的特点，也适合作为学生学习机械手相关课程的实验平台，给各层次的学生提供由动作控制到位姿算法的由简单到复杂的各类专业训练。
　　论文对所做的工作进行了总结，对设计中的关键部分进行了阐述。给出了搬运、喷漆等典型动作的控制实例。并对系统中存在的不足进行了分析，提出了控制系统的进一步改进方案。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 机器人的分类

1．3．1 按机器人的机械结构来分

1．3．2 按机器人的用途来分

1．4 本文主要工作内容

1．5 论文的组织结构

第二章 RV-M1C型机械手结构分析

2．1 机械手整体结构

2．2 机械手总体结构分析

2．3 机械手的传动结构

2．4 各关节编码器信号的产生

2．5 本章小结

第三章 机械手位姿的求解

3．1 位姿求解的目的

3．2 机械手运动学基础

3．2．1 位姿坐标系的表示

3．3 机械手运动学D-H法介绍

3．3．1 D-H坐标系介绍

3．3．2 建立机械手D-H坐标系

3．4 机械手D-H法运动学正解

3．5 切线法求解机械手位姿

3．5．1 切线法求位姿的方法的提出

3．5．2 切线法求位姿方法的实现

3．5，3 切线法求位姿编程流程图

3．5．4 切线法求位姿的C#主要程序

3．6 本章小结

第四章 控制系统的设计

4．1 控制系统功能要求

4．2 系统结构框图

4．3 编码信号适配板的设计

4．4 PLC接线图

4．5 本章小结

第五章 软件设计

5．1 PC机软件设计

5．1．1 编程语言及平台简介

5．1．2 软件结构框图

5．1．3 窗体界面

5．2 PC机与三菱FX2N系列PLC之间的通信

5．2．1 FX系列PLC的通信协议及内部地址

5．2．2 数据格式

5．2．3 通信控制字符及指令

5．2．4 报文格式

5．2．5 读出软元件值

5．2．6 写入软元件值

5．2．7 控制位元件强制通断

5．2．8 PLC内部元件地址

5．3 PLC程序的编写

5．3．1 PLC程序结构

5．3．2 机械手动作案例

5．3．3 PLC关键程序

5．3．4 误差主要因素及减小误差的方法

5．4 触摸屏软件设计

5．4．1 编程软件的选择

5．4．2 触摸屏与PLC之间的通信

5．4．3 触摸屏界面

5．5 本章小结

第六章 结语与展望

6．1 结语

6．2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表的专利

附录

致谢

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