外文翻譯 labview

1、結(jié)構(gòu)力學(xué)外文翻譯 班 級(jí)： Y15船舶與海洋工程 姓 名： 魏卓 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 船舶與海洋工程學(xué)院 浙江海洋大學(xué) 2015 年 12 月 28 日一種基于LabVIEW的多功能機(jī)械臂末端執(zhí)行器的軟件架構(gòu)的方案和驗(yàn)證摘要本文提出一種基于LabVIEW軟件架構(gòu)，用于控制離散事件系統(tǒng)。所提出的架構(gòu)是生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的變形。本方案使用多功能機(jī)械臂末端執(zhí)行器的控制軟件作為試驗(yàn)臺(tái)來分析軟件架構(gòu)的適應(yīng)性、使用限制和優(yōu)點(diǎn)。該研究表明該架構(gòu)在處理集成多種功能的控制系統(tǒng)的有效性。對(duì)于本文案例研究中，使用兩個(gè)驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)驗(yàn)證案件檢查軟件產(chǎn)品：（1）正式驗(yàn)證使用時(shí)間自動(dòng)機(jī)

2、和UPPAAL模型檢查（2）一致性注入和故障注入的方法來決定軟件測試的設(shè)置。兩個(gè)驗(yàn)證技術(shù)確定了在編程階段被引入到控制系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。1 引言本文討論了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證控制軟件在LabVIEW離散事件系統(tǒng)的問題。本文的構(gòu)思來源于航空工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用和用于多功能機(jī)械臂末端執(zhí)行器的控制軟件的發(fā)展。FARE（機(jī)身裝配機(jī)器臂末端執(zhí)行器）是巴西航空和工業(yè)技術(shù)的航空協(xié)會(huì)（ITA）之間合作項(xiàng)目的一部分。FARE的首要特點(diǎn)是作為一個(gè)有時(shí)間限制的離散事件系統(tǒng)。使用LabVIEW作為FARE控制系統(tǒng)的編程語言是航空公司的要求，因?yàn)樗鼫p少了開發(fā)時(shí)間，有與硬件設(shè)備的整合的可擴(kuò)展性和易用性。LabVIEW已經(jīng)廣泛地圖形化編程環(huán)境儀

3、器儀表和控制應(yīng)用中使用。但是，應(yīng)用在LabVIEW中離散事件控制系統(tǒng)的例子是不常見的。離散事件控制系統(tǒng)的開發(fā)過程，通常基于諸如自動(dòng)機(jī)和Petri建模技術(shù)網(wǎng)，應(yīng)適應(yīng)的圖形化編程語言LabVIEW中。用于現(xiàn)成的解決方案模擬離散事件系統(tǒng)中，LabVIEW有一個(gè)狀態(tài)圖工具包、有限狀態(tài)機(jī)和最近推出的狀態(tài)圖模塊。因?yàn)檫@些解決方案為系統(tǒng)的限制擁有大量狀態(tài)和轉(zhuǎn)換，這項(xiàng)工作提出基于生產(chǎn)者 - 消費(fèi)者設(shè)計(jì)模式的提案。本文的貢獻(xiàn)是對(duì)離散事件控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)的建議、應(yīng)用和驗(yàn)證。本文用機(jī)身裝配機(jī)械臂末端執(zhí)行器作為測試臺(tái)分析軟件體系結(jié)構(gòu)的適用性和局限性、優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于該技術(shù)用于驗(yàn)證開發(fā)離散事件控制系統(tǒng)LabVIEW中的討論也

4、是本文的貢獻(xiàn)。使用兩個(gè)驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行架構(gòu)驗(yàn)證案件檢查軟件產(chǎn)品：（1）正式驗(yàn)證使用時(shí)間自動(dòng)機(jī)和UPPAAL模型檢查（2）一致性注入和故障注入的方法來決定軟件測試的設(shè)置。兩個(gè)驗(yàn)證技術(shù)確定了在編程階段被引入到控制系統(tǒng)中的錯(cuò)誤。該驗(yàn)證方法的步驟如下圖1所示。從軟件需求出發(fā)，對(duì)部分版本FARE控制軟件開發(fā)。對(duì)于相應(yīng)的模型時(shí)間自動(dòng)機(jī)的開發(fā)和驗(yàn)證。在時(shí)間自動(dòng)機(jī)模型檢測到的錯(cuò)誤被用于校正的軟件。同樣的，CoFl的測試是使用由飛機(jī)制造商指定的并且施加到端部執(zhí)行器的控制軟件的部分版本的要求開發(fā)的。檢測到的錯(cuò)誤被編譯在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的清單，這是用于完整版FARE控制軟件的開發(fā)。完整版提交功能測試進(jìn)行最終審定。本文還有以

5、下幾章。第2章討論相關(guān)性工作。第3章描述所提出的軟件架構(gòu)。第4章介紹了FARE和它的控制軟件。然后，第5章介紹了對(duì)使用UPPAAL模型檢測FARE軟件的驗(yàn)證和基于CoFl模型的測試方式的應(yīng)用。第6章是對(duì)本文的總結(jié)和未來工作的展望。2 相關(guān)性工作相關(guān)工作的審查的重點(diǎn)是兩個(gè)主題：離散事件系統(tǒng)的控制和軟件開發(fā)在LabVIEW中離散事件系統(tǒng)。本系統(tǒng)的執(zhí)行終端沒有安裝向計(jì)算機(jī)回傳數(shù)據(jù)的傳感器,為了使仿真模型與實(shí)際機(jī)械臂同步運(yùn)行, 作者通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)同步?；驹硎?使控制指令(機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值)同時(shí)被仿真程序和控制程序執(zhí)行,并在新指令到來時(shí)進(jìn)行判斷;若當(dāng)前控制指令已經(jīng)被仿真程序和控制程序執(zhí)行完畢,

6、 則傳入新指令,否則進(jìn)行等待,直到當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢。機(jī)械臂是一種可以運(yùn)動(dòng)的剛體，它需要一種數(shù)學(xué)方法來描述自身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，包括位移（距離）、速度、加速度等等。這種數(shù)學(xué)方法需要準(zhǔn)確地描述機(jī)械臂的控制輸入變量（關(guān)鍵角度）與輸出變量（末端執(zhí)行器）的關(guān)系。導(dǎo)出它的運(yùn)動(dòng)方程，至今，已成為標(biāo)準(zhǔn)的表示機(jī)器人和對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模的方法。它以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的。為了描述機(jī)械臂與周圍物體的關(guān)系，如抓取目標(biāo)等，就需要學(xué)習(xí)剛體的坐標(biāo)變換。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)包括正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指通過機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度求取末端執(zhí)行器的位置的問題；逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)則恰好相反，已知末端執(zhí)行器的位置，求取

7、機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度的問題。航天器機(jī)械臂典型故障的數(shù)字模擬包括機(jī)械臂模型的建立和故障模式的數(shù)字模擬。機(jī)械臂模型的建立包括機(jī)械臂幾何尺寸、臂管材料的選取, 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì),由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃出發(fā)和回程軌跡, 以及動(dòng)力學(xué)分析等步驟,同時(shí)也為兩種故障模式的數(shù)字模擬提供了分析基礎(chǔ)。 故障模式的數(shù)字模擬是以所建立的機(jī)械臂模型為對(duì)象來模擬兩種主要故障模式包括對(duì)機(jī)械臂工作的影響和表現(xiàn)特征, 也將為后面建立健康監(jiān)控系統(tǒng)提供重要的依據(jù)。臂管強(qiáng)度破壞的數(shù)字模擬。由前面已知條件和出發(fā)段、回程段各臂管的慣量矩陣, 便可做各臂管的動(dòng)力學(xué)分析和應(yīng)力分析。圖 2(a )和圖 2(b) 分別為出發(fā)段和回程段各臂管表面應(yīng)力隨時(shí)間變

8、化曲線。 可以看出應(yīng)力主要在加速和減速時(shí)比較顯著, 應(yīng)力變化也比較明顯, 勻速段應(yīng)力幾乎沒有什么變化, 加速變勻速和勻速變減速時(shí)應(yīng)力變化起伏很大。 回程段臂管承受的應(yīng)力比較大是因?yàn)榛爻潭螜C(jī)械臂是負(fù)載著大質(zhì)量的有效載荷運(yùn)動(dòng)的, 所以回程段的應(yīng)力非常顯著 。因此, 故障診斷時(shí)應(yīng)以回程段為重點(diǎn), 特別是加速變勻速和勻速變減速的階段。本項(xiàng)目利用 LabVIEW 提供的三維參數(shù)曲面圖形顯示控件構(gòu)建機(jī)械臂的三維仿真顯示平臺(tái)。靜態(tài)建模時(shí),先在 X-Z 平面內(nèi)繪制出機(jī)械臂各桿件的平面圖形, 構(gòu)建一個(gè)包含各桿件平面坐標(biāo)的數(shù)組(x i ,0,z i ),根據(jù)各桿件的尺寸比例將其沿Y方向平移y 后可得到一新的數(shù)組(

9、x i ,y i ,z i )(此時(shí),若將這兩個(gè)數(shù)組傳給三維參數(shù)曲面函數(shù)可繪制出一個(gè)沒有端面的空腔模型);再利用 “翻轉(zhuǎn)數(shù)組函數(shù)”對(duì)上述兩個(gè)數(shù)組進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作后即可得到各桿件的封閉立體模型。本項(xiàng)目中作者通過設(shè)計(jì)“二維轉(zhuǎn)三維.vi”(程序框圖如圖2)實(shí)現(xiàn)了上述功能,并將轉(zhuǎn)換得到的立體模型數(shù)據(jù)存入電子表格。最后,根據(jù)機(jī)械臂各部分的位置關(guān)系,將各桿件的立體模型坐標(biāo)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行適當(dāng)平移后傳給三維參數(shù)曲面函數(shù)完成對(duì)機(jī)械臂的靜態(tài)模型建立。本系統(tǒng)包括仿真程序、控制模塊和執(zhí)行終端三個(gè)部分。其中仿真程序先從電子表格文件(.xls)中讀取模型數(shù)據(jù)完成靜態(tài)模型的建立, 再根據(jù)用戶的操作信息對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)

10、行求解,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)仿真;控制模塊主要負(fù)責(zé)將用戶的操作信息轉(zhuǎn)換成控制所需的電信號(hào), 并通過控制電路將控制信號(hào)傳給系統(tǒng)的執(zhí)行終端(五自由度的機(jī)械臂)。得到各桿件的旋轉(zhuǎn)算子之后, 還需要解決各部件運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生分離的問題,本項(xiàng)目中作者通過 “平移連接.vi” 使后一桿件的坐標(biāo)系始終以前一個(gè)桿件的末端坐標(biāo)為原點(diǎn),使問題得到了解決。給出了機(jī)械臂各桿件的運(yùn)動(dòng)情況和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)算子組合。通過對(duì)航天器機(jī)械臂工作環(huán)境、臂管材料特性分析以及出發(fā)段和回程段動(dòng)力學(xué)分析, 并結(jié)合歷史故障, 得出需重點(diǎn)監(jiān)測的部位為: 各臂管表面、末端的抓具、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器、各轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。 需監(jiān)測的參數(shù)包括: 各臂管的最大正應(yīng)力、各關(guān)節(jié)振

11、動(dòng)信號(hào)、末端執(zhí)行器的位置。對(duì)于航天器機(jī)械臂的健康監(jiān)控, 需要先針對(duì)幾種主要故障模式進(jìn)行健康監(jiān)控原理分析, 然后結(jié)合機(jī)械臂的特征, 給出需要監(jiān)測的關(guān)鍵部位分析。航天器機(jī)械臂主要是由臂管和連接各臂管的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成, 由上面的典型故障模式分析可知, 機(jī)械臂的主要故障模式為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的卡滯失效、臂管的強(qiáng)度破壞。臂管的強(qiáng)度破壞主要是由機(jī)械臂所承載的有效載荷過大和其他因素( 撞擊、材料老化等) 引起的臂管強(qiáng)度不夠造成的; 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)功能是由齒輪箱來實(shí)現(xiàn)的, 齒輪箱發(fā)生故障就會(huì)直接引起轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的失效, 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)卡滯時(shí), 臂管應(yīng)力會(huì)有一個(gè)劇烈的變化, 會(huì)對(duì)臂管造成一個(gè)很嚴(yán)重的沖擊, 除此之外, 各關(guān)節(jié)的振

12、動(dòng)信號(hào)也基本消失。3 用于離散事件系統(tǒng)的控制架構(gòu)3.1 六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)本文所使用的機(jī)械臂是銷合金機(jī)械臂，見圖它采用個(gè)伺服舵機(jī)以巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，展示出控制六自由度機(jī)械臂的工作原理，它雖然比較小，但用來學(xué)習(xí)機(jī)械臂的控制理論和設(shè)計(jì)足夠用。它的每個(gè)關(guān)節(jié)都可在規(guī)定的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過操作上位機(jī)控制軟件，可給伺服蛇機(jī)控制器發(fā)送控制指令信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在空間內(nèi)精確作業(yè)，將其安裝到移動(dòng)平臺(tái)上，可以擴(kuò)大其作業(yè)范圍。LabVIEW是美國公司推出的專注于數(shù)據(jù)釆集、儀器控制和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，它屬于圖形化的編程語言，稱作“語言”，它采用圖標(biāo)和迷線等形象地進(jìn)行框圖式編程，可以直接被編譯

13、成可執(zhí)行的代碼，它是一個(gè)真正的位位編譯器，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方式中昂貴的硬件檢測設(shè)備的功能。當(dāng)時(shí)，它主要是為而幵發(fā)的，如今，已經(jīng)在操作系統(tǒng)中得到了普及?？梢园牙斫獬墒且环N特殊的“積木”：把不同的原件搭在一起，就可以實(shí)現(xiàn)自己所需的功能。著名的可編程玩具“樂高積木”使用的就是編程語言。在一些發(fā)達(dá)國家大學(xué)課堂屮，軟件的編程訓(xùn)練是一個(gè)必修課這說明它的重要性。公司對(duì)各類編程語言的使用情況進(jìn)行過統(tǒng)計(jì)，其中，在自動(dòng)化領(lǐng)域使用最廣泛的軟件是形化編程語言是開發(fā)虛擬儀器系統(tǒng)的首選。3.2 架構(gòu)的方案本項(xiàng)目利用NI USB_6211 數(shù)據(jù)采集卡作為機(jī)械臂的控制單元,拓展了數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用領(lǐng)域。由于NI USB_6

14、211 數(shù)據(jù)采集卡只有四路數(shù)字輸出端口,不能同時(shí)為五個(gè)舵機(jī)提供控制信號(hào), 因此作者使用74HC138N譯碼器,來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集卡 I/O 口數(shù)目的擴(kuò)展。具體過程為:先由控制程序?qū)?NI USB_6211 數(shù)據(jù)采集卡的端口 p1.3、p1.2、p1.1定義為數(shù)字輸出,將 p1.0 定義為時(shí)鐘輸出(即輸出 PWM 信號(hào));再把 74HC138N 的 3 個(gè)輸入端 C、 B、 A 與數(shù)據(jù)采集卡的 p1.3、p1.2、p1.1 相連(實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的選擇),使能端 G1 與 p1.0 相連(控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度),接地端 GND 和兩個(gè)低使能端(G2A,G2B)都接到數(shù)據(jù)采集卡的 GND 上。這樣只需三路數(shù)字

15、輸出和一路時(shí)鐘輸出就可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 8(2 3 )個(gè)舵機(jī)的選擇與控制。本項(xiàng)目中采用一個(gè)五自由度機(jī)械臂作為系統(tǒng)的執(zhí)行終端。使用前作者先對(duì)機(jī)械臂初始工作位置進(jìn)行了定義, 測定了舵機(jī)實(shí)際工作脈沖(PWM)的范圍,確定了 PWM 值從小到大變化時(shí)對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。示意如圖3。系統(tǒng)的執(zhí)行終端沒有安裝向計(jì)算機(jī)回傳數(shù)據(jù)的傳感器,為了使仿真模型與實(shí)際機(jī)械臂同步運(yùn)行, 作者通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)同步?；驹硎?使控制指令(機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值)同時(shí)被仿真程序和控制程序執(zhí)行,并在新指令到來時(shí)進(jìn)行判斷;若當(dāng)前控制指令已經(jīng)被仿真程序和控制程序執(zhí)行完畢, 則傳入新指令,否則進(jìn)行等待,直到當(dāng)前指令被執(zhí)行完畢。根據(jù)舵機(jī)的工作特

16、點(diǎn)可知,PWM 值與舵機(jī)軸的位置一一對(duì)應(yīng),用戶輸入一個(gè)值后,舵機(jī)將瞬間轉(zhuǎn)到該位置;顯然,如果用戶輸入的前后兩個(gè)值相差很大, 舵機(jī)將在瞬間轉(zhuǎn)過一個(gè)很大的角度,這對(duì)機(jī)械臂來說是相當(dāng)危險(xiǎn)的。解決的方法是:控制程序?qū)τ脩糨斎氲那昂髢蓚€(gè)值進(jìn)行比較,若當(dāng)前值比前一值大,則在前一值上+0.01,一直加到與當(dāng)前值相等;若當(dāng)前值比前一值小,則在前一值上-0.01,一直減到與當(dāng)前值相等。這樣,舵機(jī)的轉(zhuǎn)速將近似為0.056rad/s(1/50ms),從而使機(jī)械臂能夠平滑轉(zhuǎn)動(dòng)。示意如圖4。通過“匹配模式”函數(shù)，找到串口接收緩沖區(qū)中字節(jié)“”，再通過“字符串移位”函數(shù)，將移動(dòng)到數(shù)據(jù)頓頭，從它開始，按照上圖中的順序，找到需

17、要計(jì)算關(guān)節(jié)角用的重力加速度在的軸分量，通過數(shù)組索引函數(shù)，分離出它的低字節(jié)、高字節(jié)數(shù)值，測量范圍土，輸出分辨率位模式最高位為符號(hào)位，其余是數(shù)倍。所以，需要判斷得到的加速度是正數(shù)還是負(fù)數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，重力加速度在各個(gè)坐標(biāo)軸的范圍是，故我們只需要判斷高字節(jié)是否為即可（實(shí)驗(yàn)條件下傳感器冇微小的誤差，補(bǔ)償即可），如果高字節(jié)的分量就是負(fù)數(shù)，需要轉(zhuǎn)變成正數(shù)，再代入公式計(jì)算；如果高字節(jié)為F的分量就是正數(shù)，可以直接計(jì)算。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存放兩部分?jǐn)?shù)據(jù)，一部分是離線編輯的作業(yè)；另一部分是仿真過程中機(jī)械臂的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)，即下載到運(yùn)動(dòng)控制卡里的各個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)。為設(shè)定關(guān)節(jié)限位保護(hù)，系統(tǒng)中加入了狀態(tài)監(jiān)測模塊。算法庫即控制機(jī)

18、械臂的各種算法集合，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)與軌跡規(guī)劃算法。其中，運(yùn)動(dòng)學(xué)算法包含正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)；軌跡規(guī)劃算法包含關(guān)節(jié)空間規(guī)劃以及笛卡爾空間中的直線、圓弧位置規(guī)劃與姿態(tài)規(guī)劃。數(shù)據(jù)分析模塊用于分析機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的關(guān)節(jié)角度變化，為控制提供參考。通訊接口用于將仿真無誤的作業(yè)下載至運(yùn)動(dòng)控制卡，即通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的函數(shù)，將仿真無誤的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)下載至運(yùn)動(dòng)控制卡。 實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到場地、機(jī)械結(jié)構(gòu)與安全等條件的限制，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍是有限的。為在離線編程中避免關(guān)節(jié)的活動(dòng)超出限定范圍，需要設(shè)計(jì)狀態(tài)監(jiān)測模塊。本節(jié)從原理入手，分別對(duì)機(jī)械臂的末端位置調(diào)試、姿態(tài)調(diào)試與單關(guān)節(jié)調(diào)試過程予以討論。4 事件研究：The FARE4

19、.1 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究背景機(jī)器人的定義是什么？在國際學(xué)術(shù)舞臺(tái)上，眾說紛繪，包括美國機(jī)器人協(xié)會(huì)、國際標(biāo)準(zhǔn)組織、日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)等不同的定義、總體來講，機(jī)器人就是可以自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它可以被人編程，還可以根據(jù)人工智能等技術(shù)規(guī)定的綱領(lǐng)執(zhí)行任務(wù)。從年捷克作家在作品中提到意思是勞役這個(gè)詞語開始，機(jī)器人開始從幻想發(fā)展成為現(xiàn)實(shí)了年后，世界上第一個(gè)能夠人工編程進(jìn)行控制的機(jī)器人于1934年誕生在美國，美國發(fā)明家發(fā)明了一個(gè)能接受不同程序命令執(zhí)行不同工作的機(jī)械手，并注冊(cè)了專利。之后，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、機(jī)械加工和理論基礎(chǔ)等相關(guān)學(xué)科的飛速發(fā)展下，機(jī)器人技術(shù)也得到了進(jìn)一步提高。世紀(jì)，機(jī)器人技術(shù)逐漸向網(wǎng)

20、絡(luò)化、智能化、與人和諧等方面發(fā)展。美國開發(fā)了多重?zé)o人作戰(zhàn)平臺(tái)和作戰(zhàn)機(jī)器人系統(tǒng)，應(yīng)用在軍事中；在歐洲，家用機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人得到進(jìn)一步幵發(fā)；擬人機(jī)器人在日本發(fā)展迅速，可以模仿人的動(dòng)作、語言、表情等。機(jī)械臂作為一種比較復(fù)雜又很實(shí)用的機(jī)器人，是各學(xué)科高度交叉融合的結(jié)果，包括機(jī)械學(xué)、人類學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)、電子工程、生物學(xué)等。多關(guān)節(jié)機(jī)械臂是比較常見和實(shí)用的，它具有靈活、慣性小、工作范圍大等特點(diǎn)比較典型的是美國公司生產(chǎn)的系列機(jī)械臂和日本山梨大學(xué)牧野洋發(fā)明的機(jī)械臂。4.2 機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究意義機(jī)器人們?cè)诓煌念I(lǐng)域里各自發(fā)揮著重要作用，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)、林、牧、滴甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)

21、器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。機(jī)器人分為很多種，從機(jī)器人的應(yīng)用環(huán)境來看，可以分為兩大類：工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器（微型機(jī)器人、水下機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等）。國際機(jī)器人聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2012年超過160000個(gè)工業(yè)機(jī)器人被銷售出去，基本上和2011年的水平相當(dāng)，并沒爺受全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響而大幅袞退，美國地區(qū)的需求量繼續(xù)增加由此可見，機(jī)器人的研究市場廣闊。而機(jī)械臂是工業(yè)機(jī)器人的重要一種，它可以完成多種多樣的工業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，如搬運(yùn)、裝配、燥接、打孔等等，在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境（如核福射、高溫高壓、強(qiáng)光、缺氧等地方）里，非常適合代替人類，完成既定目標(biāo)和任務(wù)，減少了惡劣環(huán)境

22、對(duì)人體的傷害，甚至可以完成人類所無法完成的任務(wù)。機(jī)械臂是一種可以運(yùn)動(dòng)的剛體，它需要一種數(shù)學(xué)方法來描述自身的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，包括位移（距離）、速度、加速度等等。這種數(shù)學(xué)方法需要準(zhǔn)確地描述機(jī)械臂的控制輸入變量（關(guān)鍵角度）與輸出變量（末端執(zhí)行器）的關(guān)系。有很多描述機(jī)器人的方法和模型，導(dǎo)出它的運(yùn)動(dòng)方程，至今，已成為標(biāo)準(zhǔn)的表示機(jī)器人和對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模的方法。它以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的。為了描述機(jī)械臂與周圍物體的關(guān)系，如抓取目標(biāo)等，就需要學(xué)習(xí)剛體的坐標(biāo)變換。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)包括正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是指通過機(jī)械傳的各個(gè)關(guān)節(jié)的翔度求取末端執(zhí)行器的位置的問題；逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)則恰好相反，已

23、知末端執(zhí)行器的位置，求取機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的角度的問題，示意圖如圖5。5 對(duì)于FARE控制軟件架構(gòu)的驗(yàn)證 本系統(tǒng)為用戶提供兩種輸入控制指令的方式: 一種是直接通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊前面板上的表盤實(shí)現(xiàn)控制指令的輸入; 另一種是通過鍵盤實(shí)現(xiàn)控制指令的輸入。其中鍵盤操作說明如下:小鍵盤上的01234數(shù)字鍵用于指定欲工作舵機(jī)的編號(hào),WSAD鍵用于控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,并規(guī)定按下“A 或 S”時(shí)舵機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn);按下“D 或 W”時(shí)舵機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 如果按下的鍵不在上述情況中,則會(huì)在操作提示文本框里顯示“按鍵錯(cuò)誤”字樣。圖 6為機(jī)械臂仿真與控制系統(tǒng)的前面板。控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在考慮了整個(gè)機(jī)械臂的技術(shù)要求后 ,主要功能大致

24、可以分為以下幾類: 系統(tǒng)硬件信息反饋、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)及自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械臂空間位置的捕捉與再現(xiàn)和文件操作。需要說明的是對(duì)于伺服電機(jī)位置的檢測主要是通過對(duì)相應(yīng)伺服電機(jī)編碼器的讀取來獲得實(shí)際位置的反饋 ,在極限位置處借助霍爾傳感器向 PCI-8134傳遞觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)極限位置的檢測 ,并通過定時(shí)讀取 I/O 寄存器的值來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋。而直流電機(jī)的位置檢測則是通過固結(jié)在齒輪減速器上的線性電位機(jī)的電壓 , 來間接測量出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角。直流電機(jī)電位器輸入電壓時(shí)遇到了交流干擾信號(hào)的影響 ,借助 LabVIEW 自帶的信號(hào)處理函數(shù)可以有效地抑制干擾信號(hào)對(duì)于程序判斷邏輯的影響(在現(xiàn)場無法快速取

25、得物理濾波器時(shí), 可以考慮利LabVIEW的軟件濾波)。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂, 其設(shè)計(jì)方法多為串聯(lián)形式 ,即通過將驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)元件( 如電機(jī) 、 減速器等) 直接安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)副附近, 這樣的設(shè)計(jì)雖然簡單直接,但是由于驅(qū)動(dòng)件自身成為了機(jī)械臂負(fù)載, 能大大減少機(jī)械臂的有效載荷,同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)等不良影響降低機(jī)械臂定位精度。為此提出了利用鋼絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)件到末端負(fù)載的動(dòng)力傳遞, 這樣的設(shè)計(jì)可以最大程度減小驅(qū)動(dòng)件本身對(duì)于機(jī)械臂負(fù)載能力的影響,同時(shí)由于鋼絲本身的彈性也使得機(jī)械臂具有一定柔性 ,實(shí)現(xiàn)一定的自適應(yīng)功能。由于傳動(dòng)件的位置調(diào)整,所以在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 ,要求能夠?qū)τ跈C(jī)械臂最終的末端位置準(zhǔn)確地進(jìn)行反饋

26、控制。本文討論的四自由度機(jī)械臂面向中小型物流系統(tǒng)應(yīng)用。其基本的設(shè)計(jì)要求為: 實(shí)用 、 有相對(duì)大的作業(yè)空間、抓取重量不小于2. 5 kg、具有不大于10mm的重復(fù)定位精度、自重輕、外觀整潔。出于操作便捷實(shí)用的考慮, 設(shè)計(jì)腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰和腕部回轉(zhuǎn) 4 個(gè)自由度 ,整體采用重力方向折疊展開型結(jié)構(gòu),大臂俯仰與小臂俯仰為一組平面自由度,如圖 7所示。機(jī)械手臂主要通過鋼絲繩傳動(dòng)機(jī)構(gòu) ,把小臂俯仰關(guān)節(jié)的電機(jī)和齒輪減速器等額外負(fù)載放置在機(jī)械臂基座部分, 從而減輕了對(duì)其它關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)元件的要求及機(jī)械臂整體的功耗, 降低了機(jī)械臂自身重量, 增加了其對(duì)外做功的能力和效率。該機(jī)械臂不僅實(shí)現(xiàn)重量輕、對(duì)外做功能

27、力大等性能指標(biāo)要求,而且具有制造簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn) ,有利于工業(yè)推廣普及。通過新型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊裝置可以簡便地對(duì)張緊力進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié), 解決了鋼絲繩傳動(dòng)存在的各種問題, 有效地提高了機(jī)械臂的重復(fù)定位精度, 自重與負(fù)載能力比達(dá)到41。在綜合考慮了項(xiàng)目的機(jī)械結(jié)構(gòu)要求、功能目標(biāo)和開發(fā)周期等因素后, 對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有如下的方案:a. 對(duì)于底盤( 腰部) 、大臂俯仰和小臂俯仰這 3個(gè)自由度 ,利用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和編碼器反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng),由于本項(xiàng)目對(duì)于定位精度的要求 ,伺服電機(jī)控制方式選為位置控制( 即脈沖控制)。因此選用了支持 LabVIEW 平臺(tái)的 PCI-8134 作為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器。

28、b. 對(duì)于手腕旋轉(zhuǎn)自由度以及抓取手爪吸合張開的控制 ,考慮到這部分機(jī)構(gòu)主要處于靠近末端負(fù)載,要求體積尺寸小等原因 , 選擇采用了直流電機(jī)配齒輪減速器,并通過線性電位計(jì)的電壓值來間接測量角度值的方案。相應(yīng)也選擇了支持 LabVIEW 平臺(tái)的 PCI-9114DG 作為數(shù)字 I/O 控制器。c. LabVIEW 本身帶有大量的數(shù)字信號(hào)處理vi ,可以有效地解決控制系統(tǒng)中常會(huì)遇到的信號(hào)干擾及濾波等問題。利用 LabVIEW 可以縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期,得以迅速完成機(jī)械設(shè)計(jì)、 材料加工和控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)度 , 這些也是優(yōu)先選擇 LabVIEW 作為系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的重要原因?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在考慮了整個(gè)

29、機(jī)械臂的技術(shù)要求后 ,主要功能大致可以分為以下幾類 : 系統(tǒng)硬件信息反饋、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)及自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)械臂空間位置的捕捉與再現(xiàn)和文件操作等。需要說明的是對(duì)于伺服電機(jī)位置的檢測主要是通過對(duì)相應(yīng)伺服電機(jī)編碼器的讀取來獲得實(shí)際位置的反饋 ,在極限位置處借助霍爾傳感器向 PCI-8134傳遞觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)極限位置的檢測 ,并通過定時(shí)讀取 I/O 寄存器的值來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的反饋。而直流電機(jī)的位置檢測則是通過固結(jié)在齒輪減速器上的線性電位機(jī)的電壓, 來間接測量出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角。直流電機(jī)電位器輸入電壓時(shí)遇到了交流干擾信號(hào)的影響, 借助 LabVIEW 自帶的信號(hào)處理函數(shù)可以有效地抑制干擾信號(hào)對(duì)于

30、程序判斷邏輯的影響(在現(xiàn)場無法快速取得物理濾波器時(shí), 可以考慮利用LabVIEW 的軟件濾波。機(jī)械臂主要由機(jī)械臂、舵機(jī)、雙立機(jī)械爪、輪式行走機(jī)構(gòu)等幾個(gè)主要部分組成?？梢钥醋鲾?shù)個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)的關(guān)節(jié)串聯(lián)而成的，整體可以看作是一個(gè)開環(huán)的關(guān)節(jié)鏈，設(shè)計(jì)的六自由度機(jī)械臂模型機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 8所示，圖8中的關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)1在固定基座與連桿 1之間，固定基座是用來描述操作臂其他連桿運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。關(guān)節(jié)1變量為零時(shí)，基座0和關(guān)節(jié)1的坐標(biāo)系重合。后面的5個(gè)關(guān)節(jié)依次順序連接。關(guān)節(jié) 1、2、3主要用來確定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置，關(guān)節(jié)4、5、6用來確定末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方位。機(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 9所示?？刂葡到y(tǒng)以 Ar

31、duino 控制板為核心，外部主要模塊有電源模塊，按鍵模塊，顯示模塊，語音模塊和舵機(jī)擴(kuò)展板模塊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂工作狀況的監(jiān)控，還要實(shí)現(xiàn)Arduino 與上位機(jī)的通訊，工作過程為在 PC 上位機(jī)上選擇相應(yīng)的功能模式，經(jīng)過 RS232 通信協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)，作為下位機(jī)的Arduino控制板接收來自上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。通過 Arduino主控板分析出要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)形式及各種參數(shù)，最后經(jīng) RS232 通信協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)送給舵機(jī)擴(kuò)展板，6 個(gè)舵機(jī)接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作處理。航天器機(jī)械臂是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu), 傳動(dòng)部件較多, 易發(fā)生關(guān)節(jié)卡滯故障, 并且作為主要傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)振動(dòng)信號(hào)比較豐富,因?yàn)檎駝?dòng)信號(hào)提供的故

32、障信號(hào)多,對(duì)早期故障都具有較強(qiáng)的檢測能力,故應(yīng)以振動(dòng)信號(hào)為主要監(jiān)測對(duì)象。各臂管作為機(jī)械臂的主要支撐部件, 臂管強(qiáng)度破壞是主要故障形式,而臂管強(qiáng)度破壞問題屬于一般的材料強(qiáng)度問題, 對(duì)其進(jìn)行故障診斷應(yīng)以監(jiān)測所受應(yīng)力為主要手段。所以針對(duì) 2種主要故障模式, 對(duì)應(yīng)故障檢測方法如表1所示。LabVIEW 中的仿真工具包是NI公司專門為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析而開發(fā)的工具包, LabVIEW 軟件自身并不包含此類文件工具包, 如要使用需要單獨(dú)購買。LabVIEW 控制與仿真工具包采用通用的模塊和符號(hào), 建模和控制程序非常容易, 其功能與MATLAB的Simulink 類似, 但是性能更高, 而且 NI公司在開發(fā)該工具包時(shí)綜合考慮了與硬件的I/O通信問題。LabVIEW 控制于仿真工具包可以處理線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng), 同時(shí)支持不同系統(tǒng)的綜合。可以用它進(jìn)行仿真或?qū)崟r(shí)控制,或者同時(shí)執(zhí)行這兩種工作。這一點(diǎn)在部分需要仿真部分需要控制的項(xiàng)目(如半實(shí)物仿真)中是非常重要的。LabVIEW 控制與仿真工具包允許直接使用傳遞函數(shù)或者針對(duì)離散系統(tǒng)的z 變換。能夠方便地使用連續(xù)或離散功能模塊建立模型。其自帶的高級(jí)功能模塊, 如信號(hào)源、PID 控制、濾波器等, 使編程的工作量大為減少。一個(gè)顯著數(shù)量的故障是由于重復(fù)對(duì)所有的半自動(dòng)序列系統(tǒng)的執(zhí)行錯(cuò)誤。這個(gè)事實(shí)使得有可能重復(fù)使用CoFl