基于LabVIEW控制的桌面四軸機(jī)器人設(shè)計(jì)

彭高志++吳健章++孔德銳++黃少鑫+練啟程

摘要：隨著中國(guó)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，各級(jí)企業(yè)機(jī)器換人項(xiàng)目的開展，以最做低的成本替換勞動(dòng)力成為企業(yè)的殷切期盼。當(dāng)前企業(yè)主流的做法是將六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用于生產(chǎn)線中，替換以往工人的搬運(yùn)、安裝、涂膠等工作，六軸工業(yè)機(jī)器人成本較昂貴，不太適應(yīng)于小企業(yè)的應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，仍有很多勞動(dòng)工人在從事著非常簡(jiǎn)單的工作，這部分工作通常使用四軸機(jī)器人可以完成。桌面四軸機(jī)器人的設(shè)計(jì)和研究機(jī)器人，包括一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械、硬件和軟件部分。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等部分。通過調(diào)試桌面四軸工業(yè)機(jī)器人功能達(dá)到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：桌面四軸工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）12-0014-03

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。

機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置。從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械人的發(fā)展，使得機(jī)器人離我們?nèi)粘Ｉ钤絹碓浇?/p>

說到機(jī)器人，大家可能都會(huì)想到ABB、KUKA等國(guó)外老牌的企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)的大型工業(yè)機(jī)械人，他們一般外形粗笨、充滿力量，但是隨之而來的還有價(jià)格高，不接地氣等劣勢(shì)，從而達(dá)不到消費(fèi)級(jí)。

在這種情況的驅(qū)使下，一種輕型的機(jī)器人——桌面機(jī)器人，被國(guó)內(nèi)外的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)作為創(chuàng)業(yè)目標(biāo)和工具，已在機(jī)器人產(chǎn)業(yè)形成了后起之勢(shì)。桌面機(jī)器人能夠輕松完成各種的日常動(dòng)作，給面包涂果醬，為咖啡加糖，寫毛筆字，操作電腦鍵盤，甚至穿針引線等，工業(yè)機(jī)器人末端裝上3D打印噴頭，它還能變身為一臺(tái)桌面級(jí)3D打印機(jī)，使用塑料和食物類材料能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)的3D打印。

1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文介紹桌面四軸機(jī)器人是由四個(gè)自由度組成的機(jī)構(gòu)，其中三個(gè)自由度需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)。有一個(gè)無驅(qū)動(dòng)自由度，它的動(dòng)作是使執(zhí)行部件通過連桿在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中能夠保水平。

1.1 機(jī)器人轉(zhuǎn)盤云臺(tái)設(shè)計(jì)

如圖1云臺(tái)轉(zhuǎn)盤所示，其中包括步進(jìn)電機(jī)，轉(zhuǎn)盤，平面滾針和相關(guān)的法蘭和墊板組成。如此的做法是為了電機(jī)帶動(dòng)上層連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)可以提高它的載重和降低對(duì)電機(jī)的損害。42步進(jìn)電機(jī)軸與機(jī)箱相連接，步進(jìn)電機(jī)與轉(zhuǎn)盤內(nèi)環(huán)相連，內(nèi)環(huán)一端與兩個(gè)平面滾針相連接，而另一端又與上層連接。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于軸是與機(jī)箱相連接，所以電機(jī)自身的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)盤內(nèi)環(huán)由于與上層相連接，從而帶動(dòng)上層做一個(gè)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。

如圖1所示，1步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)帶減速箱的步進(jìn)電機(jī)，減速箱減速比10，步進(jìn)電機(jī)保持扭矩0.6N.m，電流1.96A，電阻1.9Ω。

P=I^2*R 公式2-1

T1=9549×P/n 公式2-2

T2=T1*10 公式2-3

由以上公式2-1，2-2，2-3可求出額定功率P=0.007KW，n=111.405rpm，輸出轉(zhuǎn)矩T2=6N.m。

2轉(zhuǎn)盤內(nèi)環(huán)，3轉(zhuǎn)盤外環(huán)，3轉(zhuǎn)盤外環(huán)與4外環(huán)墊板相連接。由于內(nèi)環(huán)與外環(huán)之間軸向、橫向都存在很大的間隙，在運(yùn)動(dòng)的過程中由于離心力的作用，會(huì)使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不同心。而且1步進(jìn)電機(jī)是直接與6電機(jī)法蘭相連接，他們之間屬于剛性連接。再者上層的連桿機(jī)構(gòu)中心是偏向一邊，在電機(jī)帶動(dòng)上層轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)盤的受力永遠(yuǎn)壓向一邊。如果在長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度工作，對(duì)電機(jī)軸的影響可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸彎曲，從而損壞電機(jī)。需要解決的問題：間隙，受力。為了解決這些問題，把內(nèi)環(huán)通過墊板連接兩個(gè)平面滾針，兩個(gè)平面滾針之間是與外環(huán)連接的4外環(huán)墊板。外環(huán)墊板中心有一軸套，軸套的作用是讓平面滾針以軸套為中心旋轉(zhuǎn)。通過這一系列的設(shè)計(jì)消除了軸向和橫向的間隙，降低了電機(jī)的損傷，再者加大了載重能力。若想帶動(dòng)上層機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)，還需要一個(gè)8機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)盤，8機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)盤與機(jī)箱之間的連接需要通過一個(gè)平面滾針連接。8機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)盤再與上層的電機(jī)支架相連接。電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)上層轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 連桿機(jī)械臂設(shè)計(jì)

臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，如圖2所示。

小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力給小臂，它們之間的傳動(dòng)通過連桿實(shí)現(xiàn)。小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)與30曲柄連接，小臂連桿一端與30曲柄連接，另一端與小臂連接。當(dāng)小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過30曲柄和小臂連桿傳動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)小臂的一個(gè)擺動(dòng)。大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接與大臂相連接，所以大臂轉(zhuǎn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)大臂擺動(dòng)。除了以上最為巧妙的連桿機(jī)構(gòu)在于使模塊支架保持水平而不會(huì)受大臂小臂的影響。它是通過連桿固定桿與135連桿連接，其中三角連桿有三端，一端與小臂連接，另兩端分別與135連桿和160連桿連接，最后160連桿與模塊支架連接。從而使模塊支架無論在何種運(yùn)動(dòng)之下都能夠保持水平工作。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制概況

本項(xiàng)目的控制系統(tǒng)采用LabVIEW平臺(tái)開發(fā)上位機(jī)，下位機(jī)使用的是STM32單片機(jī)，它的控制原理是通過電腦上LabVIEW所開發(fā)的上位機(jī)面板發(fā)送信息，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，并控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)角度和反向的運(yùn)動(dòng)，利用連桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，具體的控制流程框圖如圖3所示。

2.2 控制原理及應(yīng)用

通過在LabVIEW中編寫信息發(fā)送機(jī)制，在LabVIEW上位機(jī)的控制面板設(shè)置笛卡爾坐標(biāo)系的三個(gè)軸的控制標(biāo)尺，通過選擇控制尺的值來給下位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的坐標(biāo)值。在LabVIEW的程序上編寫坐標(biāo)點(diǎn)的儲(chǔ)存機(jī)制和讀取機(jī)制，并在LabVIEW上位機(jī)的控制面板設(shè)置儲(chǔ)存開關(guān)來對(duì)機(jī)器人的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，設(shè)置特征按鈕將坐標(biāo)值添加上對(duì)應(yīng)的特征信息，設(shè)置執(zhí)行開關(guān)將所存的坐標(biāo)值及特征信息發(fā)送給下位機(jī)。通過在下位機(jī)編寫信息接收機(jī)制，下位機(jī)通過接收到坐標(biāo)值和特征信息通過算法轉(zhuǎn)換成機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要轉(zhuǎn)過的角度值，控制機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)上的步進(jìn)電機(jī)往對(duì)應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度值，從而使機(jī)器人終端來達(dá)到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。本機(jī)器人可對(duì)線路圖形進(jìn)行試教再現(xiàn)。endprint

2.3 機(jī)器人算法分析

2.3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法

通過幾何算法就是抓住機(jī)器人系統(tǒng)的幾何特征，運(yùn)用幾何的知識(shí)來求解。將機(jī)器人簡(jiǎn)化為如圖6機(jī)器人簡(jiǎn)化圖所示。

從圖4中可看出，機(jī)器人有一個(gè)基座旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，圖中的實(shí)線為機(jī)器人的本體，虛線是為了方便幾何計(jì)算而添加上的輔助線。其中關(guān)節(jié)2到基座的長(zhǎng)度為d1，關(guān)節(jié)2到關(guān)節(jié)3長(zhǎng)度為a2，關(guān)節(jié)3長(zhǎng)度為a3這三個(gè)長(zhǎng)度根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)工作范圍計(jì)算得出。其中即為各關(guān)節(jié)由初始零位狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置時(shí)所旋轉(zhuǎn)的角度。

設(shè)基座為Z軸，向右為X軸，向前方為Y軸，建立一個(gè)坐標(biāo)系，設(shè)目標(biāo)物體的坐標(biāo)為（x，y，z），θ1是第一個(gè)關(guān)節(jié)即基座關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度，該坐標(biāo)只與物體的x，y坐標(biāo)有關(guān)，如圖4的上部分，故有：

和θ2=θ1+π

有圖4下半部分可看出關(guān)節(jié)2和4做了一條虛線，與關(guān)節(jié)2和3構(gòu)成了一個(gè)三角形，設(shè)虛線長(zhǎng)度為dis，并在4關(guān)節(jié)到1關(guān)節(jié)做一條垂直線，有此可得：（d1-z）2+x2+y2=dis。

這樣在三角形內(nèi)，根據(jù)余弦定理，可求得：

，

這樣：θ3=π-Phi。

在兩條虛線和1關(guān)節(jié)軸構(gòu)成的直角三角形內(nèi)：

故得：θ2=π-A-B

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，此機(jī)器人關(guān)節(jié)4為從動(dòng)關(guān)節(jié)，不需要進(jìn)行控制就可以保持水平。通過此算法可得出對(duì)應(yīng)姿態(tài)三個(gè)關(guān)節(jié)所需要的旋轉(zhuǎn)的角度。

2.3.2 平面曲線算法

本機(jī)器人用到的曲線算法其實(shí)是采用圓弧擬合得出曲線，通過確定曲線上的節(jié)圓從而得到曲線，節(jié)圓又通過確定三個(gè)坐標(biāo)值，聯(lián)立圓的一般式，如圖5為聯(lián)立后得出的一般式三個(gè)系數(shù)的表達(dá)式。

2.3.3 LabVIEW控制界面設(shè)計(jì)

機(jī)械手的上位機(jī)是在LabVIEW平臺(tái)上編寫的，通過LabVIEW自帶的VISA庫與下位機(jī)STM32通訊，將操控平面的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)，并且可將坐標(biāo)點(diǎn)儲(chǔ)存起來，當(dāng)要執(zhí)行試教的時(shí)候可以調(diào)出發(fā)給下位機(jī)，通過上位機(jī)的圓弧標(biāo)志開關(guān)來設(shè)置圓弧試教段。圖6為上位機(jī)控制界面。

參考文獻(xiàn)

[1]濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2013.

[2]馮清秀，鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制[M].華中科技大學(xué)出版社，2011.

[3]陳周娟，宋瑞銀，李虹.機(jī)械原理[M].華中科技大學(xué)出版社，2013-12.

[4]項(xiàng)有元，陳萬米，鄒國(guó)柱.基于D-H算法的自主機(jī)器人機(jī)械臂建模方法研究[M].上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，

[5]沈金鑫.Arduino與Lab view開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6]陳樹學(xué)，劉萱.LabVIEW寶典[M].2011.

Abstract：With the transformation and upgrading of Chinese manufacturing industry， each enterprise take to use machine replace the labor which method cost lowest. The mainstream method is use the six-axis industrial robot to the production line in current enterprise， replacing the previous workers' handling， installation， gluing and other work. But， the six-axis robot is more expensive and less adapt to the application of small enterprises. In industrial production， there are still many workers engaged in very simple work， this part of the work usually using the four - axis robot can completed. The design and research of the desktop four-axis robot， including complete the design of robot system， mechanical， hardware and software， etc. The design needs to consider the structure， control system， kinematics analysis and so on. Through the function debugging of the four-axis industrial robot， the expected effect is achieved.

Key words：desktop four industrial robot； manipulator；control system designendprint