基于LabVIEW的SCARA机器人虚拟实验平台开发

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 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面向对象编程的一些特点
• 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