基于-labview的四自由度機(jī)械臂運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于 LabVIEW 的四度機(jī)械臂運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者： 萬志成：交通大學(xué)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域：控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求能夠?qū)τ跈C(jī)械臂最和齒輪器等額外負(fù)載放置在機(jī)械終的末端 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)，通過臂基座部分，從而減輕了對其他關(guān)節(jié)驅(qū)動元件的要求及機(jī)械臂整體的功耗，降低了機(jī)械臂自身重量，增加了其對外做功的能力和效率。： 短期內(nèi)實(shí)現(xiàn) 4度機(jī)械臂（3 臺交流伺服電機(jī)、1 臺微型直流電機(jī)）的 變參數(shù)同步運(yùn)動控制，為鋼絲傳解決方案。構(gòu)的控制提供應(yīng)用NI 公司的LabVIEW8.2 為開發(fā)對3 臺伺服電機(jī)實(shí)行位置伺服和編反饋，對直流電機(jī)利用線性電位器反饋電壓的方式實(shí)現(xiàn)了

2、角度的反饋控制。借應(yīng)用方案： 方案采用NI 公司的 LabVIEW8.2作為開發(fā)，通過 NI PCI-7344 四軸運(yùn)動控助 LabVIEW8.2 的強(qiáng)大功能，得以制卡和多功能卡來實(shí)現(xiàn)對于機(jī)械臂四在短時(shí)間內(nèi)完成了控制系統(tǒng)的開發(fā)，同時(shí)保證了機(jī)械臂的運(yùn)動精度與負(fù)載能力。個(gè)度的驅(qū)動控制，同時(shí)利用 LabVIEW8.2中新增 Project 文件管理功能和控制設(shè)計(jì)工具圖 2 鋼絲傳構(gòu)原理圖包實(shí)現(xiàn)控制的快速開發(fā)與發(fā)布。四度機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)該機(jī)械臂不僅實(shí)現(xiàn)重量輕、對外做功能力大等性能指標(biāo)要求，而且具有制使用產(chǎn)品：LabVIEW 8.20NI PCI-7344 四軸運(yùn)動控制卡本文的四度機(jī)械臂面向中小型物流系統(tǒng)

3、應(yīng)用。其基本的設(shè)計(jì)要求為：實(shí)用、有相對大的作業(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。造簡單造價(jià)優(yōu)點(diǎn)有利于工業(yè)推廣普及。通過新型內(nèi)嵌式鋼絲繩裝置可以輕松簡便的對力進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)介紹盡管對于機(jī)械操作臂的研究已不是一個(gè)節(jié)，解決了鋼絲繩傳動存在的各種問 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。全新的課題，但是，如何在保證機(jī)械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。不斷探索傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂，其設(shè)計(jì)方法多為串聯(lián)形式，即通

4、過將驅(qū)動與傳動元件如電機(jī)、減速器等直接安裝在轉(zhuǎn)動副附近，這樣的設(shè)計(jì)雖然簡單直接但是由于驅(qū)動件自身成為了機(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)也會產(chǎn)生振動等不良影響降低機(jī)械角度 1角度 2280150角度 3180角度 4300圖 1機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)示意圖臂定位精度。在本課題中提出了利用鋼L1，L2，64mm,絲傳構(gòu)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動件到末端負(fù)載的動力700mm伸展長度出于操作便捷實(shí)用的考慮，設(shè)計(jì)腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部傳遞，這樣的設(shè)計(jì)可以最大程度的減小了驅(qū)動件本身對于機(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。由于傳動件的位置調(diào)整，所以

5、在控制12kg總重3kg負(fù)載回轉(zhuǎn) 4 個(gè)度，整體采用重力方向折表 1 各項(xiàng)參數(shù)范圍及取值疊展開型結(jié)構(gòu)，大臂俯仰與小臂俯仰為一組平面度。機(jī)械主要通過鋼絲繩傳構(gòu)，把小臂俯仰關(guān)節(jié)的電機(jī)圖 3 四度機(jī)械臂樣機(jī)圖 4鋼絲傳構(gòu)示意圖加工、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)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)動參數(shù)設(shè)置、手動及自動運(yùn)動控制、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)、開發(fā)周期等開發(fā)的重要原因。圖5 顯示了控制系統(tǒng)圖。的整體框后，對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定下

6、如下的方案：1.對于底盤（腰部）、大臂俯仰、小臂俯仰這三個(gè)度，利用伺服電機(jī)驅(qū)動和編反饋來閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于本項(xiàng)目對于定位精度的要求，伺服電機(jī)控制方式選為位置控制wW（即脈沖控制）。因此選用了 NI PCI-7344 作為伺服電機(jī)的運(yùn)動控制器。2.對于手腕旋轉(zhuǎn)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。LabVIEW 本身帶有大量的數(shù)字信號處理 vi，可以十分有效地解決控制系統(tǒng)中常會遇到的信號干擾及濾波等問題。利用 LabVIEW 更可以大幅縮短項(xiàng)目的開發(fā)周期，在短短 3 個(gè)月

7、內(nèi)3.如下的流程圖來表示。設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)迅速完成了從機(jī)械設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)在考慮了整個(gè)位置檢測否復(fù)位完成是 自動手動控制方式否否指令輸入指令輸入輸入是是運(yùn)動完成否w.Wn允許輸入允許輸入否結(jié)束控制是否結(jié)束程序是圖 6機(jī)械臂控制流程圖退出文件操作輸入是是運(yùn)動完成否點(diǎn)坐標(biāo)位置檢測多軸同步運(yùn)動位置檢測單軸運(yùn)動伺服電機(jī)上電復(fù)位到原點(diǎn)初始化設(shè)置程序啟動需明的是對于伺服電機(jī)位subvi 的管理不善（如文件丟失等情庫（dll）和了源代碼的vi（Block置的檢測主要是通過對相應(yīng)伺服電況），整個(gè)系統(tǒng)的工作會受到較大Diagram 不可見）。此外，在利用板卡機(jī)編的來獲得實(shí)際位置的影響。在 LabVIEW 推出的 8.

8、0 及 8.2 版中，Project 開發(fā)方式的推出給這一問題的解決帶來了希望。直流電機(jī)電反饋，在極限位置處借助霍爾位器輸入電壓時(shí)遇到了交流干擾傳感器向 PCI-7344 傳遞觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)極限位置的檢測并通過定時(shí)讀取 IO 寄存器的值來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動狀態(tài)的反饋。而直流電機(jī)的位置信號的影響，借助 LabVIEW 自帶的信號處理函數(shù)可以有效地抑制干擾信號對 于程序判斷邏輯的影響（在現(xiàn)場無法快速需得物理濾波器時(shí)，可以考慮利用通過 Project Explorer在開發(fā)過程不僅可以有效對于各個(gè)功能（如伺服驅(qū)動器工作狀態(tài)反饋、直流電機(jī)位置測量、直流電機(jī)位置控制等）進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，更可以保證主 vi 中調(diào)

9、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 需要檢測則是通過固結(jié)在齒輪器上LabVIEW 的濾波）。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。的主界面如下圖所示：文件操作在程序的開發(fā)過程中時(shí)常會圖 7 機(jī)械臂控制前面板開發(fā)過程在 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 subvi 封裝來進(jìn)行調(diào)用的。當(dāng)這樣的 subvi 數(shù)量多的時(shí)候，對于這些文件的管理會成為不小的工作量。甚至，因?yàn)槟承┲饌€(gè)去手動更新。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 build

10、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，以及動態(tài)遇到需要對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、保存、刪除、等功能的場合，在例如 VC或者 VB 等開發(fā)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 tospreadsheet、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)文件格式的讀寫等功能 (如圖9 所示)。結(jié)論借助 LabVIEW，在課題中能夠快速地將開發(fā)和調(diào)試過程有機(jī)地結(jié)合在一起，利用 LabVIEW 開發(fā)出能夠有效將機(jī)械臂所需要的電機(jī)驅(qū)動器、位置編、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)，并且保證了機(jī)構(gòu)的精度和開發(fā)時(shí)間的進(jìn)度要求。參考文獻(xiàn)1用技術(shù)2 楊.LabVIEW 7 EXPRESS 實(shí)圖 8 LabVIEW 中 Project 功能.中國鐵道.2004.LabVIEW 高級程序設(shè)計(jì).2003ww3 Jianjun Yuan, Weijun Zhang, Research on Novel Wire Driving Robot Manipu