【導讀】的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本文將設計一臺四自由度的工業(yè)機器人，用于給沖壓設備運送物料。伺服放大器的選擇、反饋方式和反饋元件的選擇、端子板電路的設計以及控制軟件的設計，改程序、設置參考點和回參考點。機械手主要由手部、運動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。程的自動化已基本得到解決。奠定了良好的基礎。搬運工件、操作工具的裝置。上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機器人稱為通用機器人。按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的

　　

【正文】 圖 程序流程圖 1 方法一驗證： 用方法一編寫的程序，調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù)后，對于正在上升的臂可以實現(xiàn)很好的制動，而對于下降的臂則不可靠，有時候下降的臂停止下落后會反彈又向上運動。 定性分析其原因是由于上升的臂在電機失去驅動力矩后，在重力作用下會慢慢下落，下落初速度為 0，靜止后的速度變化不大，制動時間短，容易制動；而下降的臂失去驅動力矩后，在重力作用下仍以原來 的速度下落，靜止后的速度變化較大，制動時間長，很容易使制動電壓的線性增長時，超過平衡重力所需要的電壓，從而導致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實質是由于電壓的超調(diào)造成的。 此后，針對這種反彈現(xiàn)象對程序作過多次修改，結果都不太理想，所以就嘗試換一種方法。 程序設計方法二： 方法二采用傳統(tǒng)的 PID 控制，電壓超調(diào)后還可以減小，可以避免反彈現(xiàn)象的發(fā)生。 下圖為程序流程圖 2： 調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù) 使電機電壓為 0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在 fVoltage_former 中 考慮到大臂或小臂上升時的慣性， 循環(huán)采樣一直到采樣值 fVoltage=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)開始下落了 在當大臂或小臂下降時， 循環(huán)采樣一直到采樣值fVoltage=fVoltage_former 跳出循環(huán)，表示大臂或小臂已經(jīng)制動在自鎖位置了 四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 27 圖 程序流程圖 2 方法二驗證 ： 由于方法二采用 PID 控制，需要選擇合適的比例、 積分、微分系數(shù)；另外還要選擇 for()循環(huán)中的延時時間 t 和循環(huán)次數(shù) n。 選擇結果： kp=, ki=, kd=， t=10, n=10。所以最終制動時間為 n*t=100ms 對于方法二，其控制框圖如圖 所示： 圖 方法二控制框圖 示教編程及在線修改程序 調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù) 使電機電壓為 0，并采樣此時位置，將電位器輸出值存放在 fVoltage_former 中 延時 tms，再次采樣，取得誤差量 e1= fVoltage_former fVoltage 進入 for 循環(huán) 延時 tms，再次采樣，取得誤差量， 使 e2=e1， e1= fVoltage_former fVoltage。 誤差積累 sume+=fabs(e1) 使電機輸出電壓 v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1e2) 用 for 函數(shù)控制循環(huán)次數(shù)，經(jīng)過 n此 循環(huán)后，跳出循環(huán)，大臂或小臂已停止下落實現(xiàn)制動 四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 28 設計方法：當機器人停止在某個位置時，可以記錄下在該位置所對應的一組 關節(jié)角，這一組關節(jié)角用一個結構體存儲 struct position { float Voltage1。 float Voltage2。 float Voltage3。 float Voltage4。 float Voltage5。 struct position *next。 } 記錄的位置同時顯示在列表框中，記錄位置不超過 1000 個。 為了便于對這些位置作修改，本文采用鏈表來動態(tài)存儲這些結構體。 當記錄結束以后，就可以運行剛才記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結構存儲程序，所以取用這些程序很方便，只需用一個指針從鏈表首部開始取程序，逐行運行，至到鏈表末尾即可。 程序運行的時候，機器人各個關節(jié)同時運動，工 作效率高；正在運行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。 另外，對于記錄的位置可以做刪除、清空等操作。 設置參考點及回參考點 程序啟動或退出的時候，機器人應停留在預設的參考點上，這個參考點在初始對話框函數(shù) BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()中預先設置。在程序運行期間，使用者也可以自行設置。 回參考點的程序和回放示教程序一樣，不過回參考點只是運行到一個位置。 四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 29 結 論 本次設計所完成 工作 有 ： 對實驗平臺的 改造 ， 本文利用的是報廢的焊接機器人，要改造成送料機器人，不但要對末端執(zhí)行機構進行重新設計，還要重新布線 ； 對關節(jié)軸電位器進行重新標定 ， 由于標定電壓不同，標定曲線和所得的函數(shù)關系就不同，本文選用的是 10v電壓 ； 設計端子板電路及驅動電路 ， 端子板是計算機、板卡控制信號端與機器人電路端的“橋梁”，承擔著信號調(diào)理、驅動放大等任務 ； 控制軟件的設計 ， 軟件是機器人的“大腦思維”，軟件的設計就是將人的意志賦予機器人的“大腦”。 設計經(jīng)驗 ： 底座設計成長方體不合理 ， 當腰關節(jié)在不同的位置時，肩關節(jié)運動的下限不同，不便于編程；最好將底 座設計成圓柱體，并且下面帶有法蘭支撐 ； 最好安裝機械制動裝置 ， 僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動 ； 電機上應安裝放電回路 ， 電機相當于一個線圈，在電機啟動或者停止瞬間，會產(chǎn)生很高的感應電動勢，很可能會對電路中的元器件造成破壞，所以要加上穩(wěn)壓或者續(xù)流元件 ； 電位器輸出電壓會在一定范圍內(nèi)會有無規(guī)則的波動 ， 由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動時接觸電阻的無規(guī)律變化，會引起所謂的“滑動噪聲”。這導致電位器反饋電壓并不準確 ； 關節(jié)角的方向及電位器的安裝 ， 關節(jié)角最好符合關節(jié)角坐標系，并且電位器輸出電 壓最好隨關節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。 誤差分析 ： 本文中每個關節(jié)的角度誤差在177。 2176。左右，由于是開 環(huán)機構，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復精度不夠。 誤差的來源 主要有 ：工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關節(jié)轉軸的垂直度誤差，以及其它關節(jié)之間的平行度誤差齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻裝配誤差各關節(jié)軸的回轉誤差，各連桿的受力變形誤差；運行時，機械部分的振動電位器的 滑動噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會導致反饋電壓的不準確 ； 用程序實現(xiàn)制動不如機械制動裝置反應快 。 可以繼續(xù)探索的方向 ： 對于本文中的示教 編程部分，將程序稍作修改，就能實現(xiàn)對示教程序的保存和離線修改，進而也容易實現(xiàn)離線編程 ； 可以用 Opengl 或者 ADAMS 訂作一個虛擬場景，可實現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會更加安全和方便。通過虛擬場景和網(wǎng)絡，也可以進一步實現(xiàn)對機器人的遠程監(jiān)測和控制； 控制界面如果用 LabView 設計，可能會更方便些。通過進一步完善控制方式和控制結構，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 30 致 謝 本次畢業(yè)設計，是一個補充和提高的過程。 通過這次訓練，提高了自己的動手能力、設計能力和編程水平，為學生日后順利進入機器人這一深 邃的科研領域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設計，學 生收獲頗多，這與 老師的悉心指導是分不開的。老師 公務繁忙，但是還是經(jīng)常抽時間來視察學生畢業(yè)設計進度，就畢業(yè)設計過程中遇到 的問題給予耐心指導，敦敦教誨，身體力行。特此，學生鄭重向 老師表示感謝！ 另外，學生還要感謝幫助我的工人師傅和同學，他們在學生畢業(yè)設計的過程中給了我支持和鼓勵 ，特此表示感謝！ 四自由度搬運物料工業(yè)機器 人的設計 31 參考文獻 [1] Craig, John J. Introduction to robotics. 機械工業(yè)出 版社， 2020. [2] Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced ModelBased Controllers Design Proceedings of the 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2020. [3] 索羅門采夫 .工業(yè)機器人圖 冊 .機械工業(yè)出版社， 1993. [4] 周伯英 .工業(yè)機器人設計 .機械工業(yè)出版社， 1995. [5] 郭洪紅 賀繼林 田宏宇 席巍 .工業(yè)機器人技術 .西安電子科技大學出版社， 2020. [6] 三浦宏文 .機電一體化實用手冊 .科學出版社 OHM 社， 2020. [7] 陳國聯(lián) 王建華 夏建生 .電子技術 .西安交通大學出版社， 2020. [8] 沈?？? 嚴武升 楊庚辰 .電機與電器 .北京理工大學出版社， 2020. [9] 羅建軍 朱丹軍 顧剛 劉路放 . 大學 C++程序設計教程 .高等教育出版社， 2020. [10] 羅建軍 崔舒寧 楊琦 .大學 Visual C++程序設計案例教程 .高等教育出版社， 2020. [11] 王積偉 吳振順 .控制工程基礎 .高等教育出版社， 2020. [12] 楊曉東 .微型計算機原理與接口技術 .機械工業(yè)出版社 ,2020. [13] 陳杰 黃鴻 .傳感器與檢測技術 .高等教育出版社 ,2020. [14] 陳曉南 楊培林 陳鋼 龐宣明 .機械設計基礎 .科學出版社 ,2020. [15] 王伯平 .互換性與測量技術基礎第 3 版 .機械工業(yè)出版社 ,2020