【導(dǎo)讀】工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國家。重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)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(shè)計(jì)一臺(tái)四自由度的工業(yè)機(jī)器人，用于給沖壓設(shè)備運(yùn)送物料。第2章機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及機(jī)械手的設(shè)計(jì)?????實(shí)時(shí)顯示各個(gè)關(guān)節(jié)角及運(yùn)動(dòng)范圍控制?????????

　　

【正文】 電機(jī)一個(gè)小電壓，形成一個(gè)小的制動(dòng)力矩，通過采樣此刻位置看其是否能使關(guān)節(jié)制動(dòng)；如果不能，則使該電壓值按照一定的步長線性增加，以增大制動(dòng)力矩；這通過一個(gè) while()循環(huán)實(shí)現(xiàn)，如果采樣位置不再減小，則表示大臂 或小臂已停止下落，可跳出循環(huán)。 下圖為程序流程圖： 方法一驗(yàn)證： 調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù) 使電機(jī)電壓為 0，并采樣此時(shí)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(shí)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 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(dòng)在自所位置了 用方法一編寫的程序，調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù)后，對(duì)于正在上升的臂可以實(shí)現(xiàn)很好的制動(dòng)，而對(duì)于下降的臂則不可靠，有時(shí)候下降的臂停止下落后會(huì)反彈又向上運(yùn)動(dòng)。 定性分析其原因是由于上升的臂在電機(jī)失去驅(qū)動(dòng)力矩后，在重力作用下會(huì)慢慢下落，下落初速度為 0，靜止后的速度變化不大，制動(dòng)時(shí)間短，容易制動(dòng)；而下降的臂失去驅(qū)動(dòng)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(dòng)時(shí)間長，很容易使制動(dòng)電壓的線性增長時(shí)，超過平衡重力所需要的電壓，從而導(dǎo)致反彈現(xiàn)象的發(fā)生，其實(shí)質(zhì)是由于電壓的超調(diào)造成的。 此后，針對(duì)這種反彈現(xiàn)象對(duì)程序作過多次修改，結(jié)果都不太理想，所以就嘗試換一種方法。 程序設(shè)計(jì)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： 調(diào)用 OnT2Button()或 OnT3Button()函數(shù) 使電機(jī)電 壓為 0，并采樣此時(shí)位置，將電位器輸出值存放在 fVoltage_former 中 延時(shí) tms，再次采樣，取得誤差量 e1= fVoltage_former fVoltage 進(jìn)入 for 循環(huán) 延時(shí) 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(jī)輸出電壓 v=kp*e1+ki*sume+kd*(e1e2) 方法二驗(yàn)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(shí)時(shí)間 t 和循環(huán)次 數(shù) n。 選擇結(jié)果： kp=, ki=, kd=， t=10, n=10。 所以最終制動(dòng)時(shí)間為 n*t=100ms 總結(jié)： 對(duì)于方法二，其控制框圖如圖 所示： 圖 示教編程及在線修改程序 設(shè)計(jì)方法： 當(dāng)機(jī)器人停止在某個(gè)位置時(shí)，可以記錄下在該位置所對(duì)應(yīng)的一組關(guān)節(jié)角，這一組關(guān)節(jié)角用一個(gè)結(jié)構(gòu)體存儲(chǔ) struct position { float Voltage1。 float Voltage2。 float Voltage3。 float Voltage4。 float Voltage5。 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(shí)現(xiàn)制動(dòng) struct position *next。 } 記錄的位置同時(shí)顯示在列表框中，記錄位置不超過 1000 個(gè)。 為了便于對(duì)這些位置作修改，本文采用鏈表來動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)這些結(jié)構(gòu)體。 當(dāng)記錄結(jié)束以后，就可以運(yùn)行剛才記錄的一系列位置了，由于采用鏈表結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)程序，所以取用這些程序很方便，只需用一個(gè)指針從鏈表首部開始取程序，逐行運(yùn)行，至到鏈表末尾即可。 程序運(yùn)行的時(shí)候，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)同時(shí)運(yùn)動(dòng)，工作效率高；正在運(yùn)行的那行程序，以高亮狀態(tài)顯示。 另外，對(duì)于記錄的 位置可以做刪除、清空等操作。 設(shè)置參考點(diǎn)及回參考點(diǎn) 程序啟動(dòng)或退出的時(shí)候，機(jī)器人應(yīng)停留在預(yù)設(shè)的參考點(diǎn)上，這個(gè)參考點(diǎn)在初始對(duì)話框函數(shù) BOOL CRobotDlg::OnInitDialog()中預(yù)先設(shè)置。在程序運(yùn)行期間，使用者也可以自行設(shè)置。 回參考點(diǎn)的程序和回放示教程序一樣，不過回參考點(diǎn)只是運(yùn)行到一個(gè)位置。 第 5 章 總結(jié) 所完成的工作 （ 1） 對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的改造 本文利用的是報(bào)廢的焊接機(jī)器人，要改造成送料機(jī)器人，不 但要對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，還要重新布線。 （ 2） 對(duì)關(guān)節(jié)軸電位器進(jìn)行重新標(biāo)定 由于標(biāo)定電壓不同，標(biāo)定曲線和所得的函數(shù)關(guān)系就不同，本文選用的是 10v 電壓。 （ 3） 設(shè)計(jì)端子板電路及驅(qū)動(dòng)電路 端子板是計(jì)算機(jī)、板卡控制信號(hào)端與機(jī)器人電路端的“橋梁”，承擔(dān)著信號(hào)調(diào)理、驅(qū)動(dòng)放大等任務(wù)。 （ 4） 控制軟件的設(shè)計(jì) 軟件是機(jī)器人的“大腦思維”，軟件的設(shè)計(jì)就是將人的意志賦予機(jī)器人的“大腦”。 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn) （ 1） 底座設(shè)計(jì)成長方體不合理 當(dāng)腰關(guān)節(jié)在不同的位置時(shí)，肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的下限不同，不便于編程；最好將底座設(shè)計(jì)成圓柱體， 并且下面帶有法蘭支撐。 （ 2） 最好安裝機(jī)械制動(dòng)裝置 僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)并不可靠，例如突然掉電，將無法制動(dòng)。 （ 3） 電機(jī)上應(yīng)安裝放電回路 電機(jī)相當(dāng)于一個(gè)線圈，在電機(jī)啟動(dòng)或者停止瞬間，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，很可能會(huì)對(duì)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。 （ 4） 電位器輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)會(huì)有無規(guī)則的波動(dòng) 由于電位器材料電阻率分布的不均勻以及電刷滑動(dòng)時(shí)接觸電阻的無規(guī)律變化，會(huì)引起所謂的“滑動(dòng)噪聲”。這導(dǎo)致電位器反饋電壓并不準(zhǔn)確。 （ 5） 關(guān)節(jié)角的方向及電位器的安裝 關(guān)節(jié)角最好符合關(guān)節(jié)角坐標(biāo)系，并且電位器輸出電壓最好隨關(guān)節(jié)角的增大而增大，這樣便于編程。 誤差分析 本文中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度誤差在177。 2176。左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會(huì)較大，并且重復(fù)精度不夠。 下面簡要分析一下誤差的來源： （ 1） 工作臺(tái)、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差 （ 2） 齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻 （ 3） 裝配誤差 （ 4） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差； （ 5） 運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部分的振動(dòng) （ 6） 電位 器的 滑動(dòng)噪聲，以及電源的不穩(wěn)定都會(huì)導(dǎo)致反饋電壓的不準(zhǔn)確 （ 7） 用程序?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)不如機(jī)械制動(dòng)裝置反應(yīng)快 可以繼續(xù)探索的方向 （ 1） 對(duì)于本文中的示教編程部分，將程序稍作修改，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)示教程序的保存和離線修改，進(jìn)而也容易實(shí)現(xiàn)離線編程。 （ 2） 可以用 Opengl 或者 ADAMS 訂作一個(gè)虛擬場景，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬示教編程，這樣會(huì)更加安全和方便。當(dāng)然手工編寫的程序代碼也可以在此虛擬場景中運(yùn)行，以驗(yàn)證其合理與否。 （ 3） 通過虛擬場景和網(wǎng)絡(luò)，也可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。 （ 4） 還可以嘗試在原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上加上視覺反饋。 （ 5） 控制界面如果 用 LabView 設(shè)計(jì)，可能會(huì)更方便些。 （ 6） 通過進(jìn)一步完善控制方式和控制結(jié)構(gòu)，可以將控制系統(tǒng)的軟件嵌入到嵌入式系統(tǒng)上去。 致 謝 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，是 ***老師考慮到學(xué)生日后的研究方向而特意為我安排的。通過這次訓(xùn)練，提高了自己的動(dòng)手能力、設(shè)計(jì)能力和編程水平，為學(xué)生日后順利進(jìn)入機(jī)器人這一深邃的科研領(lǐng)域作下了鋪墊。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生收獲頗多，這與于老師的悉心指導(dǎo)是分不開的。于老師身體狀況欠佳，且公務(wù)繁忙，但是還是經(jīng)常抽時(shí)間來視察學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度，就畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中遇到的問題給予耐心指導(dǎo)，敦敦教誨，身體力行， 實(shí)在令學(xué)生欽佩感動(dòng)不已！特此，學(xué)生鄭重向于老師表示感謝！ 另外，學(xué)生還要感謝 ****，他們?cè)趯W(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中給出了許多有益的建議，特此表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1] Craig, John J. 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