电气工程自动化视角下的产业机器人设计

王用金 张振健

摘 要： 改革开放以来，综合国力不断提高，社会经济的不断进步以及科学技术的不断发展，电气工程及其自动化技术也在备受社会各界的关注，其自动化技术可以说是随着技术的发展而不断形成质的飞跃。电气工程及其自动化技术对于当前机器人的设计也产生了十分重要的影响，不管是人们的日常生活，还是工作、生产等方面，都通过自动化技术的应用而被人们广泛地认识，同时也正是因为机器人理念的产生，使得自动化技术能够引用其中。文章简要地对机器人概况进行介绍，同时分析了电气工程及其自动化技术，希望能够通过自动化技术的应用给机器人的设计带来个性化的特征，让机器人具有更多的关于人类的自动行为，最终服务于人类，服务于社会。

关键词： 电气工程;自动化;产业机器人;设计

【中图分类号】TP242 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.31.140

引言：近几年来，很多高校都开展了对机器人的研究，机器人试验室为在校学生提供了资源、技术以及自由发挥进行创新创造的机会，而国内外越来越多的机器人比赛也为机器人爱好者提供了交流与展示的平台。我国的机器人创新技术水平相比于美国、日本、俄国及一些欧洲国家仍有很大差距，而所涉及到的技术领域也同样落后于这些国家。不过，近几年来的技术高速发展说明了我国的实力仍有很大发展空间。机器人的设计研究涉及到诸多领域，在本文中主要介绍电气工程及其自动化领域对机器人设计的相关应用。

1 机器人简介

机器人最早出现在中国的西周穆王时期，最初形式是一个有开关能够自动“跳舞”的木质人，后来在卡雷尔·恰佩克的科幻小说中创造了机器人这个名词，从此一些能够自动制定既定工作的机械设备统称为机器人。现代的机器人能够在人类的指挥下做一些简单工作，如对话、投篮、快跑、协助人类进行危险行为等。目前技术比较先进的国家如英国、日本、美国等在机器人的研究上取得非常大的进步，很多领域如医学、建筑学及军事建设等方面均使用机器人当做人类力量的延伸。通过指挥或者在机器人内部设计自动装备，让机器人拥有人类思维，自动进行工作。当前机器人发展甚至趋向高度的人性化，机器人不再只是由机械设备组成，有些机器人甚至有人类的模样和思维方式，但是机器人真正能够拥有人类相同的思维还需要很长一段时间。

2 电气工程自动化视角下的产业机器人设计

2.1 新生代电气自动化技术

电气自动化技术是近些年兴起且发展迅速的新型技术之一，且在电气自动化技术不断升级应用的过程中，信息技术也在不断发展，由此不断催生出各种新型的电气自动化技术，包括高精度运动控制、模块化与嵌入式控制系统设计、高可靠性实时通信网络、复杂设施设备系统仿真技术等。将其应用到产业机器人领域，则能够满足不同产业的实际需求。面对更高的控制精度要求以及更加简化与智能化的控制流程要求，在应用电气自动化技术时，要注重对产业机器人的核心部件与电气自动化技术连接在一起，包括伺服电机、控制器等，同时要注重对服务型机器人的研发，确保产业机器人整体发展水平较高。

2.2 机器人设计

相关机械在组织与拼接完毕之后，都需要进行驱动，驱动就是指要对组装后的机器人通过驱动装置检测内部构件，只有完成驱动的机器人才可以实现自动的工作与操作。在驱动过程中，需要利用计算机系统中的驱动设备进行指定的信号装置运用，信号发出之后机器人若是能够自动工作，则表明此台机器人的研发是合格的。在这个驱动中，主要就是依靠电气工程及其自动化技术中的计算机软件系统，再加上对信号的监控系统来完成机器人装置的自行工作，因此，自动化技术在机器人设计过程中的作用是关键性的。

2.3 机器人与电气工程及其自动化专业的联系

从机器人的结构说起，执行机构及机器人本体，一般来说，就是通过一定数目的电机（如步进电机、伺服电机等，这里以最简单的舵机进行说明）和连接杆（这里也以最简单的用铝板铝条做的卡口来说明）相连接搭建出一个机器人雏形，当然，这需要根据机器人设计图纸进行。机器人的活动关节数及机器人的自由度数一般等于舵机数，但也有一个舵机带动多个自由度数的情况，只是在该种情况下会对舵机造成较大损伤，导致机器人的寿命减少。驱动装置是驱动执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。输入电信号，即通过调试软件进行的动作编排，使舵机进行一定角位移的转动，从而带动连接杆进行线位移的延伸和角位移的转动。检测装置的进行保证了设定信息与实际反馈信息的一致。最简单的做法就是通过使用调试软件进行机器人的动作调试，如果出现结构上的限制问题，则可及时地优化结构。现在由于传感技术的创新，很多机器人身上配置有传感器，帮助机器人回收工作对象和工作环境的有关信息，传感检测装置利用这些信息构成反馈回路，使机器人的工作精度大大提高。

2.4 硬件系统设计

对产业机器人进行设计，设计人员基于生产要求应对伺服电机进行科学选择，考虑到便于维护和易于实现智能化这两个要求，应选用直流伺服電机。直流伺服电机的精度由电机后端编码器控制，能够更加低速和平稳的运行，具有较强的过载能力。DSP传输控制信号，电机执行，并由闭环控制进行精准定位，在电机编码器反馈信号采样的基础上，驱动器可以快速响应。其次，要合理的选用和设计控制器，控制器中应包括单片微控制器、DSP数字信号处理器、PLC可编程逻辑控制器、工业控制计算机等，同时要在电气自动化技术的支持下使用控制算法，形成控制信号后可对控制对象进行精准控制。设计人员要根据产业机器人的自身特点以及产业生产的实际要求，科学的选择DSP控制器。对继电器进行设计，要从操作安全性以及抗干扰性、灵敏度等方面进行把控，可选择固态继电器，其组成部分包括分离电子器和微电子电路等。可以将控制信号输送到输入端，从而有效控制大电流负载驱动。

结束语：电气工程及其自动化是当前重要的学科，对于机器人的研究和设计工作具有重要意义。将电气工程及其自动化积极引入到机器人的设计工作中，能够为机器人的整体设计工作起到良好的技术支撑作用。通过人类的指挥，或者在机器人内部安置一些自动化的设备，能够让机器人在很大程度上拥有人类的思维，从而更好的进行工作。

参考文献

[1] 徐科军.电气测试技术基础[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 孔慧芳.自动控制原理（学练考）[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 王孝武.现代控制理论基础[M].北京：机械工业出版社，2006.