基于LabVIEW的SCARA机器人虚拟实验平台开发

摘要

本文基于面向对象技术及LabVIEW软件环境，建立了SCARA机器人三维虚拟实验平台，可用于教育培训，也为科学研究提供了一个虚拟试验对象。围绕这一问题，本文完成了以下工作。 1.分析了SCARA机器人的空间运动机构，运用机器人运动学理论，建立了其运动学方程。推得了运动学方程的正逆解的代数式。运用速度传递法导出了SCARA机器人的雅可比矩阵。在运动学分析的基础上，进行了关节空间和笛卡儿空间的轨迹规划。 2.采用了拉格朗日功能平衡法建立SCARA机器人的动力学显式方程，将力(力矩)与机器人轨迹规划得出的关节位置、速度和加速度联系起来，为伺服系统控制奠定了基础。 3.建立了交流永磁同步伺服电机矢量控制系统的数学模型，并在Matlab环境下进行了仿真实验，为虚拟实验平台的驱动系统提供了保证。 4.利用UML统一建模语言建立了虚拟实验平台的面向对象模型，为进一步的系统功能扩展提供了良好的基础，解决了传统设计方法带来的分析模型与设计模型不一致的问题。 5.在LabVIEW环境下实现了SCARA机器人三维虚拟实验平台的整合：(1)将Solidworks环境下建立的三维实体模型导入到LabVIEW并重新进行装配与机构定义；(2)利用LabVIEW的面向对象编程技术实现了上述UML的面向对象的系统设计；(3)采用LabvIEW与Matlab/Simulink的程序接口调用伺服电机的矢量控制驱动系统。 6.以深圳固高公司的GRB2014型工业机器人为实验平台，对虚拟实验平台系统进行实验分析，实验结果与仿真结果稳合，验证了系统模型的正确性和合理性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的背景和研究意义

1.1.1课题的背景

1.1.2课题的研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1国外机器人可视化仿真系统的研究现状

1.2.2国内机器人可视化仿真系统的研究现状

1.3本文的主要研究内容

第二章SCARA机器人运动学分析及轨迹规划

2.1 SCARA机器人本体结构

2.2 SCARA机器人运动学模型的建立

2.2.1 SCARA机器人坐标系的建立

2.2.2 SCARA机器人的正运动学建模

2.2.3 SCARA机器人的逆运动学建模

2.2.4 SCARA机器人的连杆速度雅可比矩阵

2.3 SCARA机器人轨迹规划

2.3.1 SCARA机器人关节空间轨迹规划

2.3.2 SCARA机器人笛卡儿空间轨迹规划

2.4 SCARA机器人运动学仿真分析

2.5本章小结

第三章SCARA机器人动力学分析

3.1机器人动力学研究与发展

3.2机器人拉氏动力学方程公式推导

3.2.1机器人动能方程

3.2.2机器人势能方程

3.2.3系统拉格朗日函数

3.2.4机器人拉氏动力学方程

3.3 SCARA机器人的动力学显示方程

3.4 SCARA机器人动力学仿真分析

3.5本章小结

第四章SCARA机器人关节驱动电机矢量控制模型

4.1 PMSM的数学建模

4.1.1 PMSM的基本结构

4.1.2 PMSM的数学模型

4.2 PMSM的矢量控制系统设计

4.2.1 PMSM的矢量坐标变换

4.2.2 PMSM的转子磁链定向控制系统设计

4.2.3 PMSM伺服运动控制系统位置环设计

4.3电压空间矢量SVPWM变频调速系统设计

4.3.1 SVPWM与SPWM调制技术对比

4.3.2 SVPWM变频调速系统设计

4.4 PMSM伺服运动控制系统的Matlab建模

4.4.1 PMSM和逆变器模块

4.4.2坐标变换和数字伺服滤波器调节模块

4.4.3 SVPWM仿真模型的建立

4.4.4控制系统仿真模型的建立

4.5 PMSM伺服运动控制系统仿真分析

4.5.1 SVPWM仿真实验

4.5.2 PMSM转子磁链定向控制系统仿真实验

4.5.3 PMSM伺服运动控制系统轨迹跟踪仿真实验

4.6本章小结

第五章基于UML的系统建模

5.1面向对象软件工程概述

5.1.1面向对象的基本概念

5.1.2面向对象编程语言的选择

5.1.3 LabVIEW面向对象编程的特点

5.2系统功能分析

5.3基于UML的系统建模

5.3.1 UML统一建模语言

5.3.2系统用例图

5.3.3系统类图

5.3.4系统顺序图

5.4本章小结

第六章基于LabVIEW面向对象的系统软件实现

6.1虚拟仪器开发环境

6.1.1 LabVIEW语言简介

6.1.2 LabVIEW编程特点

6.2系统软件实现

6.2.1程序主框架设计

6.2.2离线编程模块设计

6.2.3在线运行模块设计

6.3 LabVIEW与SolidWorks三维可视化建模

6.3.1 LabVIEW与SolidWorks的引擎技术

6.3.2 LabVIEW与SolidWorks的引擎调用实现方法

6.4 LabVIEW与Matlab/Simulink联合仿真

6.4.1 LabVIEW与Matlab/Simulink引擎技术

6.4.2 LabVIEW与Matlab/Simulink引擎调用实现方法

6.5软件使用方法

6.6本章小结

第七章SCARA机器人关节驱动实验

7.1实验目的

7.2实验设备

7.2.1实验平台概述

7.2.2实验检测设备

7.3实验步骤

7.3.1编制基于VC的测试软件

7.3.2参数设置与数据采集

7.3.3数据处理程序设计

7.4数据结果与分析

7.5本章小结

第八章总结与展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间主要研究成果