電氣工程自動(dòng)化視角下的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

王用金 張振健

摘 要： 改革開放以來(lái)，綜合國(guó)力不斷提高，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)也在備受社會(huì)各界的關(guān)注，其自動(dòng)化技術(shù)可以說(shuō)是隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷形成質(zhì)的飛躍。電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)對(duì)于當(dāng)前機(jī)器人的設(shè)計(jì)也產(chǎn)生了十分重要的影響，不管是人們的日常生活，還是工作、生產(chǎn)等方面，都通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用而被人們廣泛地認(rèn)識(shí)，同時(shí)也正是因?yàn)闄C(jī)器人理念的產(chǎn)生，使得自動(dòng)化技術(shù)能夠引用其中。文章簡(jiǎn)要地對(duì)機(jī)器人概況進(jìn)行介紹，同時(shí)分析了電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)，希望能夠通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用給機(jī)器人的設(shè)計(jì)帶來(lái)個(gè)性化的特征，讓機(jī)器人具有更多的關(guān)于人類的自動(dòng)行為，最終服務(wù)于人類，服務(wù)于社會(huì)。

關(guān)鍵詞： 電氣工程;自動(dòng)化;產(chǎn)業(yè)機(jī)器人;設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TP242 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.140

引言：近幾年來(lái)，很多高校都開展了對(duì)機(jī)器人的研究，機(jī)器人試驗(yàn)室為在校學(xué)生提供了資源、技術(shù)以及自由發(fā)揮進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的機(jī)會(huì)，而國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的機(jī)器人比賽也為機(jī)器人愛好者提供了交流與展示的平臺(tái)。我國(guó)的機(jī)器人創(chuàng)新技術(shù)水平相比于美國(guó)、日本、俄國(guó)及一些歐洲國(guó)家仍有很大差距，而所涉及到的技術(shù)領(lǐng)域也同樣落后于這些國(guó)家。不過(guò)，近幾年來(lái)的技術(shù)高速發(fā)展說(shuō)明了我國(guó)的實(shí)力仍有很大發(fā)展空間。機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究涉及到諸多領(lǐng)域，在本文中主要介紹電氣工程及其自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)C(jī)器人設(shè)計(jì)的相關(guān)應(yīng)用。

1 機(jī)器人簡(jiǎn)介

機(jī)器人最早出現(xiàn)在中國(guó)的西周穆王時(shí)期，最初形式是一個(gè)有開關(guān)能夠自動(dòng)“跳舞”的木質(zhì)人，后來(lái)在卡雷爾·恰佩克的科幻小說(shuō)中創(chuàng)造了機(jī)器人這個(gè)名詞，從此一些能夠自動(dòng)制定既定工作的機(jī)械設(shè)備統(tǒng)稱為機(jī)器人?，F(xiàn)代的機(jī)器人能夠在人類的指揮下做一些簡(jiǎn)單工作，如對(duì)話、投籃、快跑、協(xié)助人類進(jìn)行危險(xiǎn)行為等。目前技術(shù)比較先進(jìn)的國(guó)家如英國(guó)、日本、美國(guó)等在機(jī)器人的研究上取得非常大的進(jìn)步，很多領(lǐng)域如醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)及軍事建設(shè)等方面均使用機(jī)器人當(dāng)做人類力量的延伸。通過(guò)指揮或者在機(jī)器人內(nèi)部設(shè)計(jì)自動(dòng)裝備，讓機(jī)器人擁有人類思維，自動(dòng)進(jìn)行工作。當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展甚至趨向高度的人性化，機(jī)器人不再只是由機(jī)械設(shè)備組成，有些機(jī)器人甚至有人類的模樣和思維方式，但是機(jī)器人真正能夠擁有人類相同的思維還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。

2 電氣工程自動(dòng)化視角下的產(chǎn)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 新生代電氣自動(dòng)化技術(shù)

電氣自動(dòng)化技術(shù)是近些年興起且發(fā)展迅速的新型技術(shù)之一，且在電氣自動(dòng)化技術(shù)不斷升級(jí)應(yīng)用的過(guò)程中，信息技術(shù)也在不斷發(fā)展，由此不斷催生出各種新型的電氣自動(dòng)化技術(shù)，包括高精度運(yùn)動(dòng)控制、模塊化與嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、高可靠性實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜設(shè)施設(shè)備系統(tǒng)仿真技術(shù)等。將其應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，則能夠滿足不同產(chǎn)業(yè)的實(shí)際需求。面對(duì)更高的控制精度要求以及更加簡(jiǎn)化與智能化的控制流程要求，在應(yīng)用電氣自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，要注重對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的核心部件與電氣自動(dòng)化技術(shù)連接在一起，包括伺服電機(jī)、控制器等，同時(shí)要注重對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的研發(fā)，確保產(chǎn)業(yè)機(jī)器人整體發(fā)展水平較高。

2.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)

相關(guān)機(jī)械在組織與拼接完畢之后，都需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)就是指要對(duì)組裝后的機(jī)器人通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置檢測(cè)內(nèi)部構(gòu)件，只有完成驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人才可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的工作與操作。在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，需要利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備進(jìn)行指定的信號(hào)裝置運(yùn)用，信號(hào)發(fā)出之后機(jī)器人若是能夠自動(dòng)工作，則表明此臺(tái)機(jī)器人的研發(fā)是合格的。在這個(gè)驅(qū)動(dòng)中，主要就是依靠電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)中的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，再加上對(duì)信號(hào)的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)完成機(jī)器人裝置的自行工作，因此，自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中的作用是關(guān)鍵性的。

2.3 機(jī)器人與電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的聯(lián)系

從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)說(shuō)起，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及機(jī)器人本體，一般來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)一定數(shù)目的電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等，這里以最簡(jiǎn)單的舵機(jī)進(jìn)行說(shuō)明）和連接桿（這里也以最簡(jiǎn)單的用鋁板鋁條做的卡口來(lái)說(shuō)明）相連接搭建出一個(gè)機(jī)器人雛形，當(dāng)然，這需要根據(jù)機(jī)器人設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行。機(jī)器人的活動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)及機(jī)器人的自由度數(shù)一般等于舵機(jī)數(shù)，但也有一個(gè)舵機(jī)帶動(dòng)多個(gè)自由度數(shù)的情況，只是在該種情況下會(huì)對(duì)舵機(jī)造成較大損傷，導(dǎo)致機(jī)器人的壽命減少。驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)，借助于動(dòng)力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作。輸入電信號(hào)，即通過(guò)調(diào)試軟件進(jìn)行的動(dòng)作編排，使舵機(jī)進(jìn)行一定角位移的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接桿進(jìn)行線位移的延伸和角位移的轉(zhuǎn)動(dòng)。檢測(cè)裝置的進(jìn)行保證了設(shè)定信息與實(shí)際反饋信息的一致。最簡(jiǎn)單的做法就是通過(guò)使用調(diào)試軟件進(jìn)行機(jī)器人的動(dòng)作調(diào)試，如果出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的限制問(wèn)題，則可及時(shí)地優(yōu)化結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在由于傳感技術(shù)的創(chuàng)新，很多機(jī)器人身上配置有傳感器，幫助機(jī)器人回收工作對(duì)象和工作環(huán)境的有關(guān)信息，傳感檢測(cè)裝置利用這些信息構(gòu)成反饋回路，使機(jī)器人的工作精度大大提高。

2.4 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員基于生產(chǎn)要求應(yīng)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行科學(xué)選擇，考慮到便于維護(hù)和易于實(shí)現(xiàn)智能化這兩個(gè)要求，應(yīng)選用直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)的精度由電機(jī)后端編碼器控制，能夠更加低速和平穩(wěn)的運(yùn)行，具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。DSP傳輸控制信號(hào)，電機(jī)執(zhí)行，并由閉環(huán)控制進(jìn)行精準(zhǔn)定位，在電機(jī)編碼器反饋信號(hào)采樣的基礎(chǔ)上，驅(qū)動(dòng)器可以快速響應(yīng)。其次，要合理的選用和設(shè)計(jì)控制器，控制器中應(yīng)包括單片微控制器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、PLC可編程邏輯控制器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，同時(shí)要在電氣自動(dòng)化技術(shù)的支持下使用控制算法，形成控制信號(hào)后可對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行精準(zhǔn)控制。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的自身特點(diǎn)以及產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際要求，科學(xué)的選擇DSP控制器。對(duì)繼電器進(jìn)行設(shè)計(jì)，要從操作安全性以及抗干擾性、靈敏度等方面進(jìn)行把控，可選擇固態(tài)繼電器，其組成部分包括分離電子器和微電子電路等?？梢詫⒖刂菩盘?hào)輸送到輸入端，從而有效控制大電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)。

結(jié)束語(yǔ)：電氣工程及其自動(dòng)化是當(dāng)前重要的學(xué)科，對(duì)于機(jī)器人的研究和設(shè)計(jì)工作具有重要意義。將電氣工程及其自動(dòng)化積極引入到機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作中，能夠?yàn)闄C(jī)器人的整體設(shè)計(jì)工作起到良好的技術(shù)支撐作用。通過(guò)人類的指揮，或者在機(jī)器人內(nèi)部安置一些自動(dòng)化的設(shè)備，能夠讓機(jī)器人在很大程度上擁有人類的思維，從而更好的進(jìn)行工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐科軍.電氣測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 孔慧芳.自動(dòng)控制原理（學(xué)練考）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3] 王孝武.現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.