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        挑戰(zhàn)： 短期內(nèi)實現(xiàn)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(shù)同步運動控制，為鋼絲傳動機構(gòu)的控制提供應(yīng)用解決方案。

       應(yīng)用方案： 方案采用NI公司的LabVIEW8.2作為開發(fā)平臺，通過NI PCI-7344四軸運動控制卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)對于機械臂四個自由度的驅(qū)動控制，同時利用LabVIEW8.2中新增Project文件管理功能和控制設(shè)計工具包實現(xiàn)控制軟件的快速開發(fā)與發(fā)布。 

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

介紹： 

       盡管對于機械操作臂的研究已不是一個全新的課題，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題。 傳統(tǒng)工業(yè)機械臂，其設(shè)計方法多為串聯(lián)形式，即通過將驅(qū)動與傳動元件如電機、減速器等直接安裝在轉(zhuǎn)動副附近，這樣的設(shè)計雖然簡單直接但是由于驅(qū)動件自身成為了機械臂負(fù)載，所以大大減少了機械臂的有效載荷，同時也會產(chǎn)生振動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機構(gòu)來實現(xiàn)驅(qū)動件到末端負(fù)載的動力傳遞，這樣的設(shè)計可以最大程度的減小了驅(qū)動件本身對于機械臂負(fù)載能力的影響，同時由于鋼絲本身的彈性也使得機械臂具有一定柔性，實現(xiàn)一定的自適應(yīng)功能。由于傳動件的位置調(diào)整，所以在控制系 統(tǒng)的設(shè)計要求能夠?qū)τ跈C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NI公司最新的LabVIEW8.2為開發(fā)平臺對3臺伺服電機實行位置伺服和編碼器反饋，對直流電機利用線性電位器反饋電壓的方式實現(xiàn)了角度的反饋控制。借助LabVIEW8.2的強大功能，我們得以在短時間內(nèi)完成了控制系統(tǒng)的開發(fā)，同時保證了機械臂的運動精度與負(fù)載能力。

四自由度機械臂機械系統(tǒng) 

       本文討論的四自由度機械臂面向中小型物流系統(tǒng)應(yīng)用。其基本的設(shè)計要求為：實用、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。

 

圖1 機械臂整體結(jié)構(gòu)示意圖

       出于操作便捷實用的考慮，設(shè)計腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回轉(zhuǎn)4個自由度，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。機械手臂主要通過鋼絲繩傳動機構(gòu)，把小臂俯仰關(guān)節(jié)的電機和齒輪減速器等額外負(fù)載放置在機械臂基座部分，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 鋼絲傳動機構(gòu)原理圖

       該機械臂不僅實現(xiàn)重量輕、對外做功能力大等性能指標(biāo)要求，而且具有制造簡單造價低等優(yōu)點有利于工業(yè)推廣普及。通過新型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊裝置可以輕松簡便的對張緊力進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，解決了鋼絲繩傳動存在的各種問題，有效的提高了機械臂的重復(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。

 

圖3 四自由度機械臂樣機

 

圖4 鋼絲傳動機構(gòu)示意圖

控制系統(tǒng)設(shè)計 

       在綜合考慮了項目的機械結(jié)構(gòu)要求、功能目標(biāo)、開發(fā)周期等因素后，我們對于控制系統(tǒng)的設(shè)計定下如下的方案： 

       1. 對于底盤（腰部）、大臂俯仰、小臂俯仰這三個自由度，利用伺服電機驅(qū)動和編碼器反饋來構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，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控制器。 

       2. 對于手腕旋轉(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配齒輪減速器并通過線性電位計的電壓值來間接測量角度值的方案。 

       3. 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更可以大幅縮短項目的開發(fā)周期，在短短3個月內(nèi)我們迅速完成了從機械設(shè)計、材料加工、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計等進(jìn)度，這些也是我們優(yōu)先選擇LabVIEW作為系統(tǒng)開發(fā)平臺的重要原因。

圖5顯示了控制系統(tǒng)構(gòu)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：系統(tǒng)硬件信息反饋、運動參數(shù)設(shè)置、手動及自動運動控制、機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)系可以通過如下的軟件流程圖來表示。

軟件設(shè)計 

       控制系統(tǒng)軟件設(shè)計在考慮了整個需要說明的是對于伺服電機位置的檢測主要是通過對相應(yīng)伺服電機編碼器的讀取來獲得實際位置的反饋，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，實現(xiàn)極限位置的檢測并通過定時讀取IO寄存器的值來實現(xiàn)機械臂運動狀態(tài)的反饋。而直流電機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的電壓來間接測量出直流電機的轉(zhuǎn)角。

       軟件的主界面如下圖所示：

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)量多的時候，對于這些文件的管理會成為不小的工作量。甚至，因為某些subvi的管理不善（如文件丟失等情況），整個軟件系統(tǒng)的工作會受到較大影響。在LabVIEW推出的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。 

       通過Project Explorer我們在開發(fā)過程不僅可以有效對于各個功能（如伺服驅(qū)動器工作狀態(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需要逐個去手動更新。 

       使用Project Explorer的另一個好處在于程序封裝發(fā)布的便利。如圖8所示，通過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，以及動態(tài)鏈接庫（dll）和屏蔽了源代碼的vi（Block Diagram不可見）。

       此外，在利用板卡采集直流電機電位器輸入電壓時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(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，可以考慮利用LabVIEW的軟件濾波）。

文件操作 

       在程序的開發(fā)過程中我們時常會遇到需要對一些數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、保存、刪除、讀取等功能的場合，在例如VC或者VB等開發(fā)平臺中，文檔的操作由于涉及了文檔模版結(jié)構(gòu)的設(shè)計、文件指針操作及消息影射等，文件操作的實現(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，我們在課題中能夠快速地將開發(fā)和調(diào)試過程有機地結(jié)合在一起，利用LabVIEW開發(fā)出能夠有效將機械臂所需要的電機驅(qū)動器、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)計和相應(yīng)軟件，并且保證了機構(gòu)的精度和開發(fā)時間的進(jìn)度要求。

參考文獻(xiàn)

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