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1、机器人设计及其应用课程论文题目：Labview 在机器人教学中的应用班级：测控 082学号：200800454216姓名：齐少鹏指导教师：房泽平日期：2011-11-30Labview 在机器人教学中的应用摘要：本文主要介绍了机器人学中的坐标变换、运动学、动力学三个部分理论知识，并应用LABVIEW对各个方程的求解及动画实现进行了程序编写。利用LabVIEW 图形界面 设计的强大功能，实现界面元素丰富、交互性良好的人机界面,改进了使用LLWin 软件 或C+、Vb 等语言编程界面不够丰富的缺点，也提供了一种进行LabVIEW 学习和机器 人控制教学的全新思路。 关键词：LABVIEW；坐标变换
2、；机器人运动学；机器人动力学 AbstractAbstract：This paper describes the coordinate transformation in robotics, kinematics, dynamics, three-part theory of knowledge, and apply the various equations LABVIEW and animation implementation for a programming. Use of the powerful LabVIEW graphical interface design feature
3、s, interface elements to achieve a rich, interactive, good user interface, improved use of LLWin software or C+, Vb and other languages is not enough rich programming interface shortcomings, but also provides a machine for learning and LabVIEW control of new teaching ideas. Keywords: LABVIEW; coordi
4、nate transformation;robot kinematics; robot dynamics0.0.引言引言随着社会的发展，人们对大学生实际的动手能力、创新能力和综合素质能力的要求 愈来愈高。而机器人学这门课程有着极其广泛的研究和应用领域，这些领域体现出广 泛的学科交叉，涉及众多的课题，如机器人体系结构、机构、控制、智能、传感以及 机器人语言等。鉴于此，国内许多高校自2000年以来陆续购置了多种机器人模型，并 开设了相关的实践课程。同时随着虚拟仪器技术在测试、工业I/O和控制以及产品设计 中的应用不断增长，虚拟仪器技术也越来越多渗入到教学和科研中，而LabVIEW是开发 虚拟仪器的
5、重要工具，它以具有丰富的界面设计组件及强大的数据处理函数，已成为 众多本科生的必修课程。以往对机器人模型的控制大多使用LLWin软件或高级语言如 C+、VB编程，通过电脑接口对机器人模型进行控制。由于LabVIEW图形化编程软件的 普及，采用LabVIEW编程对机器人模型进行控制，在提高教学资源利用率的同时也收到 了良好的教学效果。 例如，基于开放的图形化系统设计(GSD)平台，LabVIEW Robotics 2009能够 C/C+、.M文件和VHDL等语言中导人代码，并利用内置驱动程序与多种传感器(如 LIDAR、红外传感器、卢纳和GPS)进行通信，从而大幅度缩短开发时间，利于工程师和 科
6、学家集中精力开发他们自己的算法和智能控制IP。此外，该软件还包含能够轻忪在 实时嵌入式硬件上实现的机器人IP，用于避障、动力学和搜寻算法，帮助自主系统或 机器人选择最佳路径。1.机器人概述1.1 机器人定义至今还没有机器人的统一定义。关于机器人的定义，国际上主要有：（1）英国简明牛津字典的定义：机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从 于人的但不具人格的机器” 。（2）美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、 工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并具有编程能力的多功能 机械手” 。（3）国际标准化组织（ISO）的定义：机器人是一种“自动的、位置可
7、控的、具有 编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程序操作来处理 各种材料、零件、工具和专用装置，以执行种种任务” 。我国的科学家对机器人定义是：“机器人是一种自动化的机器，这种机器具备一些 与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种 具有高度灵活性的自动化机器” 。 1.2 机器人的构成与分类现在的一个机器人系统，一般由机械手、环境、任务、控制器四个相互作用的部分 组成，其简化形式为下图 1 所示：任务控制器执行机构环境外传感器信息外传感器信息图 1 机器人系统框图 机器人的分类方法很多，按机械手的几何结构来分，机器人可分为：柱面坐标、球
8、 面坐标、关节球面坐标机器人；若按机器人的控制方式来分，机器人可分为：非伺服 和伺服机器人两种。若按机器人控制器的信息输入方式分，可分为手动、遥控、智能 的机器人。2.机器人的坐标变换在描述物体（如零件、工具或机械手）间关系时，要用到位置矢量、平面和坐标系 等，例如用 31 的位置矢量来确定空间内任何一点的位置，即对于直角坐标系A， 空间内任何一点 P 的位置可用 31 的阵列矢量表示：AP=px py pzT 。 空间物体 B 的方位（Orientation）可由某个固接于此物体的坐标系B的三个单位 主矢量xB yB zB相对于参考坐标系 A 的方向余弦组成的 3X3 矩阵描述，即：2.1
9、平移变换坐标A和B有相同的方位，但原点不重合，则点 P 在两个坐标系中的位置矢量满 足下式，变换图如图 2： 图 2 平移变换 2.2 旋转变换 坐标系A，B有相同的原点但方位不同，则点 P 的在两个坐标系中的位置矢量有如 下关系，旋转图示如图 3：图 3 旋转变换 给出任意旋转变换，能够由下式求得进行等效旋转 角的转轴，即：如一坐标系B与参考系重合，现将其绕通过原点的轴 f=0.707 0.707 0T 转 30 度， 按照上式 Labview 编程实现转动后的B如下图：3.机器人的运动学机械手是一系列由关节连接起来的连杆构成的。将为机械手的每一个连杆建立一个 坐标系，并用齐次变换来描述这些
10、坐标系间的相对位置和姿态。 若 A1 表示第一连杆对基坐标的位姿，A2 表示第二连杆对第一个连杆的位姿。则第 二个连杆对基坐标的位姿为 T2=A1A2。 3.1 机器手的运动方向 如右图为机器人的夹持器，设： 接近矢量 a：夹持器进入物体的方向； z 轴；方向矢量 o：指尖互相指向 Y 轴； 法线矢量 n：指尖互相指向；x 轴 夹持器的关节为第六个，即位姿为 T6,则：3.2 运动位置和坐标 用柱面坐标表示末端运动位置，则沿 x 平移 r，绕 z 轴转 a，沿 z 轴平移 z 的方程 为：即：4.机器人的动力学机器人的动力学是研究机器人的动力特性与力的关系，具体来说是研究两类问题。 1.动力学
11、正问题：已知机械手各关节的作用力或力矩，求各关节的位移、速度、加速 度、运动轨迹。2.动力学逆问题：已知机械手的运动轨迹，即各关节的位移、速度、 加速度，求各关节的驱动力和力矩。简单举例推到动力学方程： 若两连杆机器人如下图所示，则对于连杆一：对于连杆二：二杆动能和势能分别为：系统的总动能和势能及拉格朗日函数分别为：分别求得：带入拉格朗日函数即可求得动力学方程。 运用 labview 编写程序运动学和动力学方程，实现机械手臂的旋转和机 械手的运动，效果图如下：部分程序如下：5.结语由上可知：基于LabVIEW的机器人控制，实际上是应用LabVIEW对机器人板卡编程来 控制模型运动。只要正确运用
12、机器人动力学、运动学、坐标变换理论，就能快速、高 效地开发出界面元素丰富、交互性良好的机器人控制程序，并且有很好的扩展性，对 于机器人创意组合模型组装的各类机器人都可以在此基础上进行扩充，从而为LabVIEW 学习和机器人控制提供了一种具有推广价值的新方法。6.参考文献1 蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2009. 2 陈锡辉,张银鸿.LabVIEW8.20程序设计从入门到精通M.北京：清华大学出版社，2007. 3 雷振山.LabVIEW Express实用技术教程M.北京：中国铁道出版社，2004. 4 张铁异, 曹晓中, 黄炳琼. 慧鱼实验系统的二次开发J.广西大学学报(自然科
13、学版),2007,增 刊. 5 凌万胜.气动六自由度机械手关节控制的研究D.哈尔滨工业大学,2002.6 Paul.R.P.,Shimano.B.E.,Mayer.G.Kinematics Control Equations for Simple anipulators. IEEE Trans SMC,1981,11(6):449455.7 Santibanez,V.,Kelly,R.PD control with feedforward compensation for robot manipulators :Analysis and experimentationC.Instituto Tecnologico de la Laguna,Torreon,Coah.,27001, Mexico. 2001，19(1)：11- 19.
