LabVIEW 的四自由度機(jī)械臂運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、LabVIEW 的四自由度機(jī)械臂運(yùn) 動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)"本系統(tǒng)以PCI- 7344為基礎(chǔ)，通 過(guò)NI公司最新的 LabVIEW8. 2為開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)3臺(tái) 伺服電機(jī)實(shí)行位置伺 服和編碼器反饋，對(duì) 直流電機(jī)利用線(xiàn)性電 位器反饋電壓的方式 實(shí)現(xiàn)了角度的反饋控 制。"- Jianzheng Zhang, Shanghai Jiao Tong University, School of Mechanical EngineeringThe Challenge:短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)4自由度 機(jī)械臂（3臺(tái)交流伺 服電機(jī)、1臺(tái)微型直 流電機(jī)）的 變參數(shù) 同步運(yùn)動(dòng)控制，為鋼 絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制提 供應(yīng)用解決方案

2、。The Solution:方案采用NI公司的 LabVIEW8. 2作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通 過(guò)NI PCI- 7344四軸運(yùn)動(dòng)控 制卡和多功能數(shù)據(jù)采 集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)械 臂四個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng) 控制，同時(shí)利用 LabVIEW8. 2中新增 Project文件 管理功能和控制設(shè)計(jì) 工具包實(shí)現(xiàn)控制軟件 的快速開(kāi)發(fā)與發(fā) 布。Author (s):偉軍 張 - 上海 交通大學(xué)機(jī)器人研究 所 志成 萬(wàn) - 上海 交通大學(xué)機(jī)器人研究 所 俊 陶 - 上海交 通大學(xué)機(jī)器人研究所Jianzheng Zhang - Shanghai Jiao Tong University, School of Mechanical

3、Engineering盡管對(duì)于機(jī)械操作臂 的研究已不是一個(gè)全 新的課題，但是，如 何在保證機(jī)械手臂高 的位置精度的條件盡 可能地降低制造成本 和縮短制造周期，這 仍然是值得我們不斷 探索的問(wèn)題。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(guò)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(jiǎn)單直接但是 由于驅(qū)動(dòng)件自身成為 了機(jī)械臂負(fù)載，所以 大大減少了機(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。在本課題中我們 提出了利用鋼絲傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)來(lái)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 最大程度的減小了驅(qū) 動(dòng)件本身對(duì)于機(jī)械臂 負(fù)載能力的

4、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)要求能夠?qū)τ跈C(jī) 械臂最終的末端 位 置能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行反 饋控制。本系統(tǒng)以PCI- 7344 為基礎(chǔ)， 通過(guò)NI公司最新的 LabVIEW8. 2為開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)3臺(tái) 伺服電機(jī)實(shí)行位置伺 服和編碼器反饋，對(duì) 直流電機(jī)利用線(xiàn)性電 位器反饋電壓的方式 實(shí)現(xiàn)了角度的反饋控 制。借助 LabVIEW8. 2 的強(qiáng)大功能，我 們得以在短時(shí)間內(nèi)完 成了控制系統(tǒng)的開(kāi) 發(fā)，同時(shí)保證了機(jī)械 臂的運(yùn)動(dòng)精度與負(fù)載 能力。 四自由度機(jī) 械臂機(jī)械系統(tǒng) 本文 討論的四自由度機(jī)械 臂面向中小型物流

5、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 2.5kg、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、腕部回轉(zhuǎn)4 個(gè)自由度，整體采用 重力方向折疊展開(kāi)型 結(jié)構(gòu)，大臂俯仰與小 臂俯仰為一組平面自 由度。機(jī)械手臂主要 通過(guò)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)其他關(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。1/6該機(jī)械臂不僅實(shí)現(xiàn)重 量輕、對(duì)外做功能力 大等性能指標(biāo)要求，

6、 而且具有制造簡(jiǎn)單造 價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)有利于工 業(yè)推廣普及。通過(guò)新 型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊 裝置可以輕松簡(jiǎn)便的 對(duì)張緊力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào) 節(jié)，解決了鋼絲繩傳 動(dòng)存在的各種問(wèn)題， 有效的提高了機(jī)械臂 的重復(fù)定位精度，自 重與負(fù)載能力比達(dá)到 4：1，可以廣泛的 應(yīng)用到以中小型物流 系統(tǒng)為代表的工業(yè)環(huán) 境中，也可作為教學(xué) 科研演示設(shè)備進(jìn)行推 廣。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)在綜合考慮了項(xiàng)目的 機(jī)械結(jié)構(gòu)要求、功能 目標(biāo)、開(kāi)發(fā)周期等因 素后，我們對(duì)于控制 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定下如下 的方案：1. 對(duì)于 底盤(pán)（腰部）、大臂 俯仰、小臂俯仰這三 個(gè)自由度，利用伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和編碼器反 饋來(lái)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

7、電機(jī)控制方式選為 位置控制（即脈沖控 制）。因此我們選用 了NI PCI-7344 作為伺服 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制器。1. 對(duì)于手腕旋轉(zhuǎn)自由度 以及抓取手爪吸合張 開(kāi)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，我 們選擇采用了直流電 機(jī)配齒輪減速器并通 過(guò)線(xiàn)性電位計(jì)的電壓 值來(lái)間接測(cè)量角度值 的方案。2. LabVIEW 本 身帶有大量的數(shù)字信 號(hào)處理vi，可以十 分有效地解決控制系 統(tǒng)中常會(huì)遇到的信號(hào) 干擾及濾波等問(wèn)題。 利用LabVIEW 更可以大幅縮短項(xiàng)目 的開(kāi)發(fā)周期，在短短 3 個(gè)月內(nèi)我們迅速 完成了從機(jī)械設(shè)計(jì)、 材料加工、控制系統(tǒng) 軟硬件設(shè)計(jì)等進(jìn)度， 這些也是

8、我們優(yōu)先選 擇LabVIEW 作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的 重要原因。圖5顯示 了控制系統(tǒng)構(gòu)成的整 體框圖。軟件設(shè)計(jì)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 能大致可以分為以下 幾類(lèi)：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)、文 件操作等。這幾者之 間的相互關(guān)系可以通 過(guò)如下的軟件流程圖 來(lái)表示。2/6需要說(shuō)明的是對(duì)于伺 服電機(jī)位置的檢測(cè)主 要是通過(guò)對(duì)相應(yīng)伺服 電機(jī)編碼器的讀取來(lái) 獲得實(shí)際位置的反 饋，在極限位置處我 們借助霍爾傳感器向 PCI-7344 傳遞觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn) 極限位置的檢測(cè)并通 過(guò)定時(shí)讀取IO 寄 存器的值來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械 臂運(yùn)動(dòng)

9、狀態(tài)的反饋。 而直流電機(jī)的位置檢 測(cè)則是通過(guò)固結(jié)在齒 輪減速器上的線(xiàn)性電 位機(jī)的電壓來(lái)間接測(cè) 量出直流電機(jī)的轉(zhuǎn) 角。軟件的主界面如 下圖所示：開(kāi)發(fā)過(guò)程在 LabVIEW8. 0 之前的版本中， 許多在主程序中需要 多次復(fù)用的功能都是 通過(guò)subvi 封 裝來(lái)進(jìn)行調(diào)用的。當(dāng) 這樣的subvi 數(shù)量多的時(shí)候，對(duì)于 這些文件的管理會(huì)成 為不小的工作量。甚 至，因?yàn)槟承?subvi 的管理 不善（如文件丟失等 情況），整個(gè)軟件系 統(tǒng)的工作會(huì)受到較大 影響。在 LabVIEW 推 出的8.0 及 8.2 版中， Project 開(kāi) 發(fā)方式的推出給這一 問(wèn)題的解決帶來(lái)了希 望。通過(guò) Project Exp

10、lorer我 們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程不僅可 以有效對(duì)于各個(gè)功能 （如伺服驅(qū)動(dòng)器工作 狀態(tài)反饋、直流電機(jī) 位置測(cè)量、直流電機(jī) 位置控制等）進(jìn)行獨(dú) 立開(kāi)發(fā)，更可以保證 主vi 中調(diào)用的功 能與subvi 的 一致，而不用像低版 本中那樣，一旦 subvi 有變 化，主vi需要使用 Project Explorer 的另一個(gè)好處在于程 序封裝發(fā)布的便利。 如圖8 所示，通過(guò) build specification 中的不同選擇，可以 將源程序封裝成 exe文件，或者是 帶LabVIEW Runtime Engine的 Installer 安裝文件，以及動(dòng)態(tài) 鏈接庫(kù)（dll）和 屏蔽了源代碼的vi （Block

11、Diagram不可見(jiàn)）。此外，在利用板卡采 集直流電機(jī)電位器輸 入電壓時(shí)我們遇到了 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(chǎng)無(wú)法 快速需得物理濾波器 時(shí)，可以考慮利用 LabVIEW 的 軟件濾波）。文件操作在程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程中 我們時(shí)常會(huì)遇到需要 對(duì)一些數(shù)據(jù)進(jìn)行添 加、保存、刪除、讀 取等功能的場(chǎng)合，在 例如VC 或者 VB 等開(kāi)發(fā)平臺(tái) 中，文檔的操作由于 涉及了文檔模版結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)、文件指針操 作及消息影射等，文 件操作的實(shí)現(xiàn)顯得較 為復(fù)雜。而在 LabVIEW 中 借助write to spreadsheet

12、、 read from spreadsheet 等文件操作vi 和 表格控件、數(shù)組操作 vi 及自定義空間 等就可以輕松實(shí)現(xiàn)常 用的txt、 xls 等數(shù)據(jù)文件 格式的讀寫(xiě)等功能 (如圖9所示)。3/6結(jié)論借助 LabVIEW，我 們?cè)谡n題中能夠快速 地將開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程 有機(jī)地結(jié)合在一起， 利用 LabVIEW 開(kāi) 發(fā)出能夠有效將機(jī)械 臂所需要的電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器、位置編碼器、極 限位置傳感器和數(shù)字 IO 口等硬件資源 整合的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 和相應(yīng)軟件，并且保 證了機(jī)構(gòu)的精度和開(kāi) 發(fā)時(shí)間的進(jìn)度要求。參考文獻(xiàn)1 雷振山. LabVIEW 7 EXPRESS 實(shí) 用技術(shù)教程.中國(guó)鐵 道出版社.20042

13、楊樂(lè)平. LabVIEW 高 級(jí)程序設(shè)計(jì).清華大 學(xué)出版社.20033 Jianjun Yuan， Weijun Zhang， "Research on Novel WireDriving Robot Manipulator for Local Industrial Production Line"， Proc. of the IEEE Int. Conf. on Mechatronics and Automation， 20074 宮金良，趙 現(xiàn)朝，高峰.基于 LabVIEW和 PXI-7538多 軸運(yùn)動(dòng)控制卡的地震 模擬振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì).美國(guó)國(guó)家儀器 中國(guó)有限公司 2006年優(yōu)秀論文 合訂本Author Information:偉軍 張上海交通大學(xué)機(jī)器人 研究所4/6LegalThis case study (this "case study") was developed by a National In