【正文】 需求及成本確定合適的型號即可。 對于工業(yè)控制 PC 機，考慮到其兼容性、硬件維護與升級以及成本等因素，我們可以選擇研祥集團 EVOC 工控機，其具體參數(shù)詳見說明書。 對于數(shù)據(jù)采集卡，選擇研 華 16 路數(shù)字量輸出的 PCL812PG 和 6 路獨立 D/A 輸出 的PCL726，其集體參數(shù)詳見說明書。 對于伺服系統(tǒng)，核心就是伺服電機的選取?？紤]到其穩(wěn)定性、可控性及成本，我們可以利用一臺已經(jīng)報廢的工業(yè)機器人上的 Maxon 伺服電機驅(qū)動器，其具體參數(shù)詳見說明書。接線與調(diào)試如下圖所示： 1234567891 01 11 21 31 41 51 6電 源控 制 電 壓測 速 計1234567891 0P1P2P3P4P5g a i nnm a x IRO f f s e to n o f f Im a x4 k Ω電 機 圖 31 Maxon 伺服電機驅(qū)動器 接下來選擇合適的端子板。由于采集卡不便與每個傳感器直接相連，被測信號須經(jīng)過端子板的調(diào)理進入采集卡，因此端子板作用是舉足輕重的。在端子板電路接線 的設(shè)計中，考慮到電機對其它電路的影響，我們特意使用了光電耦合器，這也是機電一體化技術(shù)中的重要元器件。其電路如下圖所示： 圖 32 端子板電路簡圖 電位器實際上就是一種可調(diào)電阻，安裝于該機器人的各個關(guān)節(jié)輸出軸，可根據(jù)其輸出電壓與關(guān)節(jié)角的一一對應(yīng)關(guān)系，求出相應(yīng)的方程。由于該機器人各關(guān)節(jié)運動角度均小于 360 度，因此我們可以選擇單圈電位器，成本較低且滿足其控制要求。電位器理論上是線性元件，然而由于滑動磨損及噪音的影響，實際上其輸出函數(shù)并不是一條直線，即存在偏移。因此需要對各電位器進行標定，即通過測量出若干組數(shù) 據(jù)，繪制出直線，用于替換實際的復(fù)雜函數(shù)。其具體標定如下圖所示： 圖 33 電位器 2 的標定 圖 34 電位器 4 的標定 最后根據(jù)各圖像，計算出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，標定工作完成。 要保證控制系統(tǒng)的正常運行，需要提供 14v 的電壓，而要保證電位器的正常工作，則需要提供 10v 的電壓。因此我們選擇可供給 0 至 32 伏特輸出， 0 至 2 安培輸出的雙路穩(wěn)流穩(wěn)壓電源，其型號為 DH1715A3。 至此我們基本上已經(jīng)完成了控制系統(tǒng)模型的搭建，如下圖所示： 圖 35 該機器人控制系統(tǒng)簡圖 19 4 控制系統(tǒng)軟件的選取和設(shè)計 之前我們已經(jīng)構(gòu)建了該機器人的三維結(jié)構(gòu)模型與控制系統(tǒng)模型，接下來就需要通過計算機和數(shù)據(jù)采集卡向其發(fā)送各種指令，驅(qū)動其各個關(guān)節(jié)運動，使其能夠按照人的意愿完成自動送料任務(wù)。這就需要對其控制軟件進行設(shè)計。 預(yù)期實現(xiàn)動作 a）、使各個關(guān)節(jié)在其運動角度范圍之內(nèi)完成各項動作任務(wù)，并予以實時顯示與檢測； b）、電機可自鎖； c）、直流電機可根據(jù)控制要求完成伺服控制； d）、達到在線修改編程和示教再現(xiàn)目的； e）、可使該機器人以空間中的一個點為參考點完 成各項作業(yè)任務(wù)，并能回到該原點。 實現(xiàn)手段 由圖 35 可得出以下結(jié)論：工程控制計算機是通過數(shù)據(jù)采集卡發(fā)出或者獲取各種信號（數(shù)字信號、模擬信號）來實現(xiàn)對工業(yè)機器人控制的目的。因此就需要對其進行編程， 我們可以將程序設(shè)計模塊化，將其要實現(xiàn)的功能分為多個模塊，分別設(shè)計完成。 此次設(shè)計選取的數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動程序中自帶了我們所需的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)，大大地提高了編程的效率。本次設(shè)計選取 VC++為編程軟件。 各關(guān)節(jié)運動控制及監(jiān)測 在相應(yīng)函數(shù)中設(shè)置定時器，再調(diào)用庫函數(shù)，根據(jù)電位器測得電壓和電位器標定函數(shù)關(guān)系式 ，計算各關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)角度，并記錄。再將該組數(shù)據(jù)與相應(yīng)關(guān)節(jié)運動范圍做比較，可判斷是否超出范圍，若超出區(qū)間，就彈框示警并自動停止其運動。其具體步驟如圖所示： 圖 41 函數(shù)的調(diào)用 直流電機伺服控制 為了提高電路與直流電機運作的效率，通常情況下使用 PWM 來調(diào)節(jié)較大功率直流電機的運行速率。由于此次設(shè)計中的直流電機功率不大，我們可以采取線性控制的方式對其進行速度調(diào)節(jié)。 對于第一個關(guān)節(jié)來說，與之相關(guān)函數(shù)有 OnT1Button 、 OnF1Button 以及OnZ1Button，代表的含義分別為電機的停轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和 正傳，其運行速率靠電壓調(diào)節(jié)。 為了對電機的位置進行伺服控制，使之在允許的運動角度范圍之內(nèi)可運行至任意輸入位置，可以調(diào)用關(guān)鍵函數(shù) OnRun1Button。 電機自鎖 由于此自動送料機器人各個關(guān)節(jié)均沒有安裝機械制動器，斷電后不能有效制動，因此我們需要通過軟件編程對其進行自鎖控制，特別針對肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)。 實驗中遇到的問題與相應(yīng)解決辦法：在電機的驅(qū)動下大臂和小臂雖受重力卻不會自由落體，但電機一旦斷電，由于驅(qū)動力不足其必然會自然下落。為了使其在電機停轉(zhuǎn)后停止在預(yù)設(shè)位置，我們可以考慮給其關(guān)節(jié)處電機施加適當 的電壓，這樣在其反向電流產(chǎn)生的阻力矩下，大臂和小臂就會保持平衡。不過還存在一個問題，因為大臂和小臂在不同位置，其需要的平衡力矩是不同的，所以施加電壓不是恒定的，這樣就需要根據(jù)其停留位置確定其需要施加電壓的值。 提供電壓過大或過小都不能達到制動的目的，太小不足以平衡重力矩，太大反而會使其瞬間上升。因此我們可以通過編程實現(xiàn)自動選擇控制電壓。 程序設(shè)計方法不唯一，經(jīng)過多次實驗和驗證，我們可以選擇效果最優(yōu)的程序控制方案。以下是我們選擇的較優(yōu)方案： 該方案選擇常見的 PID 控制方式，不僅可以有效制動，而且避免了施加電壓 過大產(chǎn)生的反彈。其程序流程如下圖所示： 圖 41 程序流程圖 經(jīng)實驗驗證，符合控制要求。其控制框圖如下： 圖 42 程序控制框圖 吉林大學珠海學院本科畢業(yè)論文 22 程序的在線修改與示教控制 程序設(shè)計思路：在這個階段，我們需要記錄該機器人停止在某位置時所對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度，并用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體對其進行存儲。為了便于修改位置，此次設(shè)計選取鏈表對這些結(jié)構(gòu)體進行動態(tài)存儲： 記錄結(jié)束后，點擊運行所記錄位置，運行過程中，機器人各關(guān)節(jié)都會運作，且運行的程序會以高亮度顯示出來。而且我們還可以對所記錄位置進行清空、刪除等操作。 參考點的設(shè)置 為了使該機器人在程序啟動或退出時停留在預(yù)定參考點上，可以在函數(shù)中對其進行設(shè)置，且在程序運行中也可設(shè)置。 回參考點的程序設(shè)置同上，這樣我們就完成了對該工業(yè)機器人進行控制的所有程序的編制。 5 總結(jié) 設(shè)計經(jīng)驗 1）、底座形狀一定要設(shè)計合理； 2）、如果有條件，最好配備機械制動器； 3）、電位器要正確安裝，且其輸出電壓值不穩(wěn)定，有機械振動： 4）、關(guān)節(jié)角范圍要設(shè)置合理。 5）、設(shè)計存在各種誤差，雖然不能消除，但要盡可能減少誤差，使其在允許范圍之內(nèi)。 誤差分析 在這里重點對誤差來源進行 分析，以便確定誤差性質(zhì)，進而改進。 1）、該工業(yè)機器人自身基座與工作臺表面，其他關(guān)節(jié)之間的的平行度誤差以及腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸垂直度誤差； 2）、齒輪傳動存在間隙，齒形帶存在切向變形； 3）、裝配存在誤差； 4）、運行時存在機械振動； 5）、電源工作電壓不穩(wěn)定，以及電位器存在滑動噪聲，導致反饋電壓不精確； 6）、程序制動存在響應(yīng)延遲，不能實現(xiàn)實時控制，效果不如機械制動器； 7）、連桿受力變形以及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動都存在誤差。 總體評價 由于自身學識有限，設(shè)計過程中不免會有不妥甚至錯誤之處，但總的來講，該工業(yè)機器人的實驗 還是成功的。所完成的工作主要有以下幾個方面： 1）、利用一臺報廢的工業(yè)機器人，重新設(shè)計和改造執(zhí)行機構(gòu)，重新布線，使其滿足自動送料機器人的要求： 2）、選擇合適的電位器并對其進行標定，繪制線性曲線，計算函數(shù)關(guān)系式； 3）、驅(qū)動電路以及端子板電路的設(shè)計和接線； 4）、控制軟件的編程與設(shè)計。 致謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我感覺自己不僅理論知識很匱乏，而且不善于將理論用于實踐。雖然有些理論知識掌握的很熟練了，但是一做具體的事情，就顯得不知所措。畢竟“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”，學習的范圍不限于書本，學習的范圍太 廣泛了，正所謂“學無止境”。而真正能鍛煉的不是課本習題，不是考試試卷，而是實踐，“實踐是檢驗真理的唯一標準”這句話用在這里恰到好處！由于自己學識有限，在很多細節(jié)問題上肯定還有不少疏漏，還請老師和同學給予斧正。本課題的選題及研究過程都是在賀秋偉老師精心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，賀老師都始終給予我細心的指導和強大的支持。在此謹向賀老師致以真誠地感謝和敬意！ 參考文獻 工業(yè)機器人技術(shù) 西安電子科技大學出版社 機電傳動 控制 華中科技大學出版社 工業(yè)機器人圖冊 機械工業(yè)出版社 機電一體化實用手冊 科學出版社 控制電氣及應(yīng)用 清華大學出版社 C 語言程序設(shè)計教程 華南理工大學出版社 機械制造裝備設(shè)計 機械工業(yè)出版社 電工與電子技術(shù) 高等教育出版社 機電一體化技術(shù) 西安電子科技大學出版社 機械技術(shù)基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 1大學 C++程序設(shè)計教程 高等教育出版社 1大學 Visual C++程序設(shè)計案例教程 高等教育出版社 1 Industrial robot technology Oxford Press 1 Craig, John J. Introduction to robotics 15 、 Basilio Bona and Aldo Curatella. Identification of Industrial Robot Parameters for Advanced ModelBased Controllers Design Proceedings of the 2022 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, April 2022 1 Introduction to Robotics Mechanics and Control Third Edition John J. Craig