挑戰： 短期內實(shí)現4自由度機械臂（3臺交流伺服電機、1臺微型直流電機）的 變參數同步運動(dòng)控制，為鋼絲傳動(dòng)機構的控制提供應用解決方案。

       應用方案： 方案采用NI公司的LabVIEW8.2作為開(kāi)發(fā)平臺，通過(guò)NI PCI-7344四軸運動(dòng)控制卡和多功能數據采集卡來(lái)實(shí)現對于機械臂四個(gè)自由度的驅動(dòng)控制，同時(shí)利用LabVIEW8.2中新增Project文件管理功能和控制設計工具包實(shí)現控制軟件的快速開(kāi)發(fā)與發(fā)布。 

       使用產(chǎn)品： LabVIEW 8.20 NI PCI-7344四軸運動(dòng)控制卡

介紹： 

       盡管對于機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。 傳統工業(yè)機械臂，其設計方法多為串聯(lián)形式，即通過(guò)將驅動(dòng)與傳動(dòng)元件如電機、減速器等直接安裝在轉動(dòng)副附近，這樣的設計雖然簡(jiǎn)單直接但是由于驅動(dòng)件自身成為了機械臂負載，所以大大減少了機械臂的有效載荷，同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)等不良影響降低機械臂定位精度。在本課題中我們提出了利用鋼絲傳動(dòng)機構來(lái)實(shí)現驅動(dòng)件到末端負載的動(dòng)力傳遞，這樣的設計可以最大程度的減小了驅動(dòng)件本身對于機械臂負載能力的影響，同時(shí)由于鋼絲本身的彈性也使得機械臂具有一定柔性，實(shí)現一定的自適應功能。由于傳動(dòng)件的位置調整，所以在控制系 統的設計要求能夠對于機械臂最終的末端 位置能夠準確地進(jìn)行反饋控制。 

       本系統以PCI-7344為基礎，通過(guò)NI公司最新的LabVIEW8.2為開(kāi)發(fā)平臺對3臺伺服電機實(shí)行位置伺服和編碼器反饋，對直流電機利用線(xiàn)性電位器反饋電壓的方式實(shí)現了角度的反饋控制。借助LabVIEW8.2的強大功能，我們得以在短時(shí)間內完成了控制系統的開(kāi)發(fā)，同時(shí)保證了機械臂的運動(dòng)精度與負載能力。

四自由度機械臂機械系統 

       本文討論的四自由度機械臂面向中小型物流系統應用。其基本的設計要求為：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的重復定位精度、自重輕、外觀(guān)整潔。

 

圖1 機械臂整體結構示意圖

       出于操作便捷實(shí)用的考慮，設計腰部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回轉4個(gè)自由度，整體采用重力方向折疊展開(kāi)型結構，大臂俯仰與小臂俯仰為一組平面自由度。機械手臂主要通過(guò)鋼絲繩傳動(dòng)機構，把小臂俯仰關(guān)節的電機和齒輪減速器等額外負載放置在機械臂基座部分，從而減輕了對其他關(guān)節驅動(dòng)元件的要求及機械臂整體的功耗，降低了機械臂自身重量，增加了其對外做功的能力和效率。

 

圖2 鋼絲傳動(dòng)機構原理圖

       該機械臂不僅實(shí)現重量輕、對外做功能力大等性能指標要求，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)新型內嵌式鋼絲繩張緊裝置可以輕松簡(jiǎn)便的對張緊力進(jìn)行現場(chǎng)調節，解決了鋼絲繩傳動(dòng)存在的各種問(wèn)題，有效的提高了機械臂的重復定位精度，自重與負載能力比達到4：1，可以廣泛的應用到以中小型物流系統為代表的工業(yè)環(huán)境中，也可作為教學(xué)科研演示設備進(jìn)行推廣。

 

圖3 四自由度機械臂樣機

 

圖4 鋼絲傳動(dòng)機構示意圖

控制系統設計 

       在綜合考慮了項目的機械結構要求、功能目標、開(kāi)發(fā)周期等因素后，我們對于控制系統的設計定下如下的方案： 

       1. 對于底盤(pán)（腰部）、大臂俯仰、小臂俯仰這三個(gè)自由度，利用伺服電機驅動(dòng)和編碼器反饋來(lái)構成閉環(huán)控制系統，由于本項目對于定位精度的要求，伺服電機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作為伺服電機的運動(dòng)控制器。 

       2. 對于手腕旋轉自由度以及抓取手爪吸合張開(kāi)的控制，考慮到這部分機構主要處于靠近末端負載，要求體積尺寸小等原因，我們選擇采用了直流電機配齒輪減速器并通過(guò)線(xiàn)性電位計的電壓值來(lái)間接測量角度值的方案。 

       3. LabVIEW本身帶有大量的數字信號處理vi，可以十分有效地解決控制系統中常會(huì )遇到的信號干擾及濾波等問(wèn)題。利用LabVIEW更可以大幅縮短項目的開(kāi)發(fā)周期，在短短3個(gè)月內我們迅速完成了從機械設計、材料加工、控制系統軟硬件設計等進(jìn)度，這些也是我們優(yōu)先選擇LabVIEW作為系統開(kāi)發(fā)平臺的重要原因。

圖5顯示了控制系統構成的整體框圖。 

       機械臂的技術(shù)要求后，主要功能大致可以分為以下幾類(lèi)：系統硬件信息反饋、運動(dòng)參數設置、手動(dòng)及自動(dòng)運動(dòng)控制、機械臂空間位置的捕捉與再現、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。

軟件設計 

       控制系統軟件設計在考慮了整個(gè)需要說(shuō)明的是對于伺服電機位置的檢測主要是通過(guò)對相應伺服電機編碼器的讀取來(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，實(shí)現極限位置的檢測并通過(guò)定時(shí)讀取IO寄存器的值來(lái)實(shí)現機械臂運動(dòng)狀態(tài)的反饋。而直流電機的位置檢測則是通過(guò)固結在齒輪減速器上的線(xiàn)性電位機的電壓來(lái)間接測量出直流電機的轉角。

       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用的功能都是通過(guò)subvi封裝來(lái)進(jìn)行調用的。當這樣的subvi數量多的時(shí)候，對于這些文件的管理會(huì )成為不小的工作量。甚至，因為某些subvi的管理不善（如文件丟失等情況），整個(gè)軟件系統的工作會(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 Explorer我們在開(kāi)發(fā)過(guò)程不僅可以有效對于各個(gè)功能（如伺服驅動(dòng)器工作狀態(tài)反饋、直流電機位置測量、直流電機位置控制等）進(jìn)行獨立開(kāi)發(fā)，更可以保證主vi中調用的功能與subvi的一致，而不用像低版本中那樣，一旦subvi有變化，主vi需要逐個(gè)去手動(dòng)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(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（dll）和屏蔽了源代碼的vi（Block Diagram不可見(jiàn)）。

       此外，在利用板卡采集直流電機電位器輸入電壓時(shí)我們遇到了交流干擾信號的影響，借助LabVIEW自帶的信號處理函數可以有效地抑制干擾信號對于程序判斷邏輯的影響（在現場(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 )遇到需要對一些數據進(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)平臺中，文檔的操作由于涉及了文檔模版結構的設計、文件指針操作及消息影射等，文件操作的實(shí)現顯得較為復雜。 

       而在LabVIEW中借助write tospreadsheet、read from spreadsheet等文件操作vi和表格控件、數組操作vi及自定義空間等就可以輕松實(shí)現常用的txt、xls等數據文件格式的讀寫(xiě)等功能 （如圖9所示）。

結論 

       借助LabVIEW，我們在課題中能夠快速地將開(kāi)發(fā)和調試過(guò)程有機地結合在一起，利用LabVIEW開(kāi)發(fā)出能夠有效將機械臂所需要的電機驅動(dòng)器、位置編碼器、極限位置傳感器和數字IO口等硬件資源整合的控制系統設計和相應軟件，并且保證了機構的精度和開(kāi)發(fā)時(shí)間的進(jìn)度要求。

參考文獻

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