挑戰(zhàn)： 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。

應(yīng)用方案： 方案采用NI公司的LabVIEW8.2作為開發(fā)平臺(tái)，通過NI PCI-7344四軸運(yùn)動(dòng)控制卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡來實(shí)現(xiàn)對于機(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)控制軟件的快速開發(fā)與發(fā)布。

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

介紹：

盡管對于機(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，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)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NI公司最新的LabVIEW8.2為開發(fā)平臺(tái)對3臺(tái)伺服電機(jī)實(shí)行位置伺服和編碼器反饋，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系統(tǒng)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。

圖1 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)示意圖
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，增加了其對外做功的能力和效率。

圖2 鋼絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖
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(dòng)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。


圖3 四自由度機(jī)械臂樣機(jī)

圖4 鋼絲傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
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)周期等因素后，我們對于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(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）。因此我們選用了NI PCI-7344作為伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)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(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線性電位計(jì)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(huì)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，這些也是我們優(yōu)先選擇LabVIEW作為系統(tǒng)開發(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。

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)、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(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在考慮了整個(gè)需要說明的是對于伺服電機(jī)位置的檢測主要是通過對相應(yīng)伺服電機(jī)編碼器的讀取來獲得實(shí)際位置的反饋，在極限位置處我們借助霍爾傳感器向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(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。

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(shí)候，對于這些文件的管理會(huì)成為不小的工作量。甚至，因?yàn)槟承﹕ubvi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(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)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）。