基于LabVIEW控制的桌面四軸機器人設計

彭高志++吳健章++孔德銳++黃少鑫+練啟程

摘要：隨著中國制造業(yè)的轉型升級，各級企業(yè)機器換人項目的開展，以最做低的成本替換勞動力成為企業(yè)的殷切期盼。當前企業(yè)主流的做法是將六軸工業(yè)機器人運用于生產(chǎn)線中，替換以往工人的搬運、安裝、涂膠等工作，六軸工業(yè)機器人成本較昂貴，不太適應于小企業(yè)的應用。在工業(yè)生產(chǎn)中，仍有很多勞動工人在從事著非常簡單的工作，這部分工作通常使用四軸機器人可以完成。桌面四軸機器人的設計和研究機器人，包括一個完整的機器人系統(tǒng)包括機械、硬件和軟件部分。設計時需要考慮結構、控制系統(tǒng)設計、運動學分析等部分。通過調試桌面四軸工業(yè)機器人功能達到了預期的效果。

關鍵詞：桌面四軸工業(yè)機器人；機械臂；控制系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）12-0014-03

機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。

機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置。從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設各，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械人的發(fā)展，使得機器人離我們日常生活越來越近。

說到機器人，大家可能都會想到ABB、KUKA等國外老牌的企業(yè)生產(chǎn)研發(fā)的大型工業(yè)機械人，他們一般外形粗笨、充滿力量，但是隨之而來的還有價格高，不接地氣等劣勢，從而達不到消費級。

在這種情況的驅使下，一種輕型的機器人——桌面機器人，被國內外的機器人團隊作為創(chuàng)業(yè)目標和工具，已在機器人產(chǎn)業(yè)形成了后起之勢。桌面機器人能夠輕松完成各種的日常動作，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)機器人末端裝上3D打印噴頭，它還能變身為一臺桌面級3D打印機，使用塑料和食物類材料能夠實現(xiàn)常規(guī)的3D打印。

1 機器人機構設計

本文介紹桌面四軸機器人是由四個自由度組成的機構，其中三個自由度需要電機驅動。有一個無驅動自由度，它的動作是使執(zhí)行部件通過連桿在機器人運動中能夠保水平。

1.1 機器人轉盤云臺設計

如圖1云臺轉盤所示，其中包括步進電機，轉盤，平面滾針和相關的法蘭和墊板組成。如此的做法是為了電機帶動上層連桿運動時可以提高它的載重和降低對電機的損害。42步進電機軸與機箱相連接，步進電機與轉盤內環(huán)相連，內環(huán)一端與兩個平面滾針相連接，而另一端又與上層連接。當電機旋轉時，由于軸是與機箱相連接，所以電機自身的轉動帶動轉盤內環(huán)旋轉，轉盤內環(huán)由于與上層相連接，從而帶動上層做一個旋轉的運動。

如圖1所示，1步進電機是一個帶減速箱的步進電機，減速箱減速比10，步進電機保持扭矩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，輸出轉矩T2=6N.m。

2轉盤內環(huán)，3轉盤外環(huán)，3轉盤外環(huán)與4外環(huán)墊板相連接。由于內環(huán)與外環(huán)之間軸向、橫向都存在很大的間隙，在運動的過程中由于離心力的作用，會使轉盤轉動時不同心。而且1步進電機是直接與6電機法蘭相連接，他們之間屬于剛性連接。再者上層的連桿機構中心是偏向一邊，在電機帶動上層轉動時對轉盤的受力永遠壓向一邊。如果在長時間高強度工作，對電機軸的影響可能會導致電機軸彎曲，從而損壞電機。需要解決的問題：間隙，受力。為了解決這些問題，把內環(huán)通過墊板連接兩個平面滾針，兩個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。通過這一系列的設計消除了軸向和橫向的間隙，降低了電機的損傷，再者加大了載重能力。若想帶動上層機構的旋轉，還需要一個8機械臂旋轉盤，8機械臂旋轉盤與機箱之間的連接需要通過一個平面滾針連接。8機械臂旋轉盤再與上層的電機支架相連接。電機旋轉帶動上層轉動。

1.2 連桿機械臂設計

臂驅動機構由兩個步進電機組成，如圖2所示。

小臂驅動電機提供動力給小臂，它們之間的傳動通過連桿實現(xiàn)。小臂驅動電機與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。當小臂驅動電機轉動通過30曲柄和小臂連桿傳動，最終實現(xiàn)小臂的一個擺動。大臂驅動電機直接與大臂相連接，所以大臂轉動直接驅動大臂擺動。除了以上最為巧妙的連桿機構在于使模塊支架保持水平而不會受大臂小臂的影響。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動之下都能夠保持水平工作。

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 控制概況

本項目的控制系統(tǒng)采用LabVIEW平臺開發(fā)上位機，下位機使用的是STM32單片機，它的控制原理是通過電腦上LabVIEW所開發(fā)的上位機面板發(fā)送信息，單片機接收數(shù)據(jù)，并控制機器人的各個關節(jié)進行相應角度和反向的運動，利用連桿傳動結構實現(xiàn)機器人的運動，具體的控制流程框圖如圖3所示。

2.2 控制原理及應用

通過在LabVIEW中編寫信息發(fā)送機制，在LabVIEW上位機的控制面板設置笛卡爾坐標系的三個軸的控制標尺，通過選擇控制尺的值來給下位機發(fā)送相應的坐標值。在LabVIEW的程序上編寫坐標點的儲存機制和讀取機制，并在LabVIEW上位機的控制面板設置儲存開關來對機器人的坐標點進行存儲，設置特征按鈕將坐標值添加上對應的特征信息，設置執(zhí)行開關將所存的坐標值及特征信息發(fā)送給下位機。通過在下位機編寫信息接收機制，下位機通過接收到坐標值和特征信息通過算法轉換成機器人各關節(jié)所需要轉過的角度值，控制機器人的各個關節(jié)上的步進電機往對應的方向轉動相應的角度值，從而使機器人終端來達到對應的坐標值。本機器人可對線路圖形進行試教再現(xiàn)。endprint

2.3 機器人算法分析

2.3.1 坐標轉換算法

通過幾何算法就是抓住機器人系統(tǒng)的幾何特征，運用幾何的知識來求解。將機器人簡化為如圖6機器人簡化圖所示。

從圖4中可看出，機器人有一個基座旋轉關節(jié)和三個轉動關節(jié)組成，圖中的實線為機器人的本體，虛線是為了方便幾何計算而添加上的輔助線。其中關節(jié)2到基座的長度為d1，關節(jié)2到關節(jié)3長度為a2，關節(jié)3長度為a3這三個長度根據(jù)機器人設計工作范圍計算得出。其中即為各關節(jié)由初始零位狀態(tài)運動到目標位置時所旋轉的角度。

設基座為Z軸，向右為X軸，向前方為Y軸，建立一個坐標系，設目標物體的坐標為（x，y，z），θ1是第一個關節(jié)即基座關節(jié)旋轉的角度，該坐標只與物體的x，y坐標有關，如圖4的上部分，故有：

和θ2=θ1+π

有圖4下半部分可看出關節(jié)2和4做了一條虛線，與關節(jié)2和3構成了一個三角形，設虛線長度為dis，并在4關節(jié)到1關節(jié)做一條垂直線，有此可得：（d1-z）2+x2+y2=dis。

這樣在三角形內，根據(jù)余弦定理，可求得：

，

這樣：θ3=π-Phi。

在兩條虛線和1關節(jié)軸構成的直角三角形內：

故得：θ2=π-A-B

由于機械結構的原因，此機器人關節(jié)4為從動關節(jié)，不需要進行控制就可以保持水平。通過此算法可得出對應姿態(tài)三個關節(jié)所需要的旋轉的角度。

2.3.2 平面曲線算法

本機器人用到的曲線算法其實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)圓又通過確定三個坐標值，聯(lián)立圓的一般式，如圖5為聯(lián)立后得出的一般式三個系數(shù)的表達式。

2.3.3 LabVIEW控制界面設計

機械手的上位機是在LabVIEW平臺上編寫的，通過LabVIEW自帶的VISA庫與下位機STM32通訊，將操控平面的坐標數(shù)據(jù)發(fā)給下位機，并且可將坐標點儲存起來，當要執(zhí)行試教的時候可以調出發(fā)給下位機，通過上位機的圓弧標志開關來設置圓弧試教段。圖6為上位機控制界面。

參考文獻

[1]濮良貴，陳國定，吳立言.機械設計[M].高等教育出版社，2013.

[2]馮清秀，鄧星鐘.機電傳動控制[M].華中科技大學出版社，2011.

[3]陳周娟，宋瑞銀，李虹.機械原理[M].華中科技大學出版社，2013-12.

[4]項有元，陳萬米，鄒國柱.基于D-H算法的自主機器人機械臂建模方法研究[M].上海大學機電工程與自動化學院，

[5]沈金鑫.Arduino與Lab view開發(fā)實戰(zhàn)[M].機械工業(yè)出版社，2013.

[6]陳樹學，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