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　　采用NI LabVIEW令“20歲”的機(jī)器人恢復(fù)正常生機(jī)

　　國(guó)際金屬加工網(wǎng)

　　先進(jìn)制造 ◇ 系列技術(shù)講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國(guó)機(jī)器人行業(yè)眾所周知研討會(huì)

　　引言：

　　在過(guò)去的數(shù)十年里，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)歷經(jīng)了飛速的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自十九世紀(jì)80年代以來(lái)，它們已經(jīng)從根本無(wú)法以有限精度沿著預(yù)約拋物線體育運(yùn)動(dòng)的抓放式機(jī)器人，產(chǎn)業(yè)發(fā)展成具有高精度、能在病房中應(yīng)用領(lǐng)域，并且靈巧攝食，與此同時(shí)可時(shí)常與聽覺控制系統(tǒng)及生產(chǎn)模塊中的其他機(jī)器人展開建模的控制系統(tǒng)。

　　Author(s):Jonas Neubert - Imperial College London

　　Industry:Research

　　Products:

CompactRIO, FPGA Module, Real-Time Module

　　The Challenge:

　　為已經(jīng)遺失驅(qū)動(dòng)力器的20歲工業(yè)機(jī)器人代替新的驅(qū)動(dòng)力器，并對(duì)其展開擴(kuò)充，使之具有現(xiàn)代機(jī)器人控制軟件中的眾所周知機(jī)能。建立可透過(guò)直觀GUI界面(GUI)操作的、適于研究生實(shí)驗(yàn)課程的控制系統(tǒng)。

　　The Solution:

　　采用NI CompactRIO驅(qū)動(dòng)力器做為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力器和編解碼器與LabVIEW 8.5軟件、 比例-積分-微分(PID)widget、3D圖像渲染和VI服務(wù)器間的接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人體育運(yùn)動(dòng)軟件，并能透過(guò)GUI展開訪問(wèn)。

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CompactRIO-9014動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)力器

　　"采用CompactRIO和LabVIEW，他們能在單個(gè)程式設(shè)計(jì)環(huán)境中，從頭開始構(gòu)建完整的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力和控制控制系統(tǒng)。"

　　在過(guò)去的數(shù)十年里，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)歷經(jīng)了飛速的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。自十九世紀(jì)80年代以來(lái)，它們已經(jīng)從根本無(wú)法以有限精度沿著預(yù)約拋物線體育運(yùn)動(dòng)的抓放式機(jī)器人，產(chǎn)業(yè)發(fā)展成具有高精度、能在病房中應(yīng)用領(lǐng)域，并且靈巧攝食，與此同時(shí)可時(shí)常與聽覺控制系統(tǒng)及生產(chǎn)模塊中的其他機(jī)器人展開建模的控制系統(tǒng)。這就是他們?cè)诖髮W(xué)的倉(cāng)庫(kù)中發(fā)現(xiàn)20歲的飛雅特Movemaster機(jī)器人時(shí)，第一反應(yīng)是決定把它送給博物館的原因。但是，兩個(gè)教師決定把它交給我 —— 當(dāng)時(shí)我還只是一名帝國(guó)理工學(xué)院的研究生，來(lái)使機(jī)器人“復(fù)活”。

　　工程項(xiàng)目目標(biāo)

早先的時(shí)候，飛雅特Movemaster機(jī)器人配有兩個(gè)便攜式課堂教學(xué)盒、兩個(gè)微波爐大小的驅(qū)動(dòng)力模塊和兩個(gè)可透過(guò)XAUI將所有機(jī)器下肢所需的角位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)津?qū)動(dòng)力模塊的可選計(jì)算機(jī)。但是現(xiàn)在所有外設(shè)都遺失了，所以他們須要修復(fù)機(jī)器人底座上的36根enum腳位，使其恢復(fù)正常原有的機(jī)能。他們須要代替以前用于從PC機(jī)的建模界面來(lái)控制機(jī)器人的過(guò)時(shí)的程式設(shè)計(jì)語(yǔ)言?？紤]到須要保留可能做為課堂教學(xué)輔助的應(yīng)用領(lǐng)域，他們須要建立出一種能允許學(xué)生在未來(lái)展開便捷擴(kuò)充的控制系統(tǒng)（特別是不同的Bilaspur）。

　　設(shè)計(jì)選項(xiàng)

在他們?cè)噲D對(duì)機(jī)器人展開逆向工程后，他們須要透過(guò)兩個(gè)主要步驟確定控制系統(tǒng)的總體布局。首先，他們須要開發(fā)I/O化解方案驅(qū)動(dòng)力機(jī)器人的5個(gè)直流電機(jī)，并與此同時(shí)加載編解碼器訊號(hào)。第二，他們須要將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)準(zhǔn)PC機(jī)上并將其在GUI上顯示出來(lái)。

　　控制系統(tǒng)所需的地下通道數(shù)(15路目大吻[PWM]位數(shù)輸出和10路位數(shù)輸出)和采樣速率(PWM為1kHz而輸出采樣速率為100kHz)都沒有超出標(biāo)準(zhǔn)微驅(qū)動(dòng)力器電子元件的個(gè)性化化解方案的范疇。但是，程式設(shè)計(jì)環(huán)境的多樣性和開發(fā)這樣控制系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，超出了研究生工程項(xiàng)目的時(shí)限和范圍。由于美國(guó)國(guó)家儀器公司的產(chǎn)品，能提供從數(shù)據(jù)采集到高級(jí)圖形界面開發(fā)等全部所需的機(jī)能，顯而易見能做為他們的優(yōu)先選擇之一。

他們優(yōu)先選擇了CompactRIO電子電路自動(dòng)驅(qū)動(dòng)力器，利用它來(lái)動(dòng)態(tài)采集和處置所需數(shù)量的訊號(hào)。雖然產(chǎn)品的花費(fèi)超出了眾所周知研究生工程項(xiàng)目的預(yù)算，但考慮到CompactRIO的全面性和可用性，他們還是優(yōu)先選擇了它。他們能在5分鐘內(nèi)設(shè)定好CompactRIO驅(qū)動(dòng)力器(包括連接線和所有軟件的部署)，而且能在其他工程項(xiàng)目中共用這兩個(gè)驅(qū)動(dòng)力器。

　　訊號(hào)I/O

CompactRIO驅(qū)動(dòng)力器的現(xiàn)場(chǎng)電子電路可編程(FPGA)背板，能夠以完全并行化的方式加載、輸出和處置I/O模塊地下通道。利用數(shù)量充足的電子電路反相器，他們能夠以1kHz的振幅輸出5個(gè)獨(dú)立的PWM訊號(hào)，輸出10個(gè)位數(shù)訊號(hào)到外部的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力芯片，與此同時(shí)以100kHz振幅對(duì)10條編碼地下通道展開采樣。在FPGA上，他們將每個(gè)機(jī)器人下肢上的兩個(gè)編解碼器上獲得的訊號(hào)，顯示成整數(shù)以表示相對(duì)的下肢角度。采用NI網(wǎng)站上提供的VI幫助他們進(jìn)一步縮短了FPGA上VI的開發(fā)時(shí)間。兩個(gè)高速切換的位數(shù)輸出和位數(shù)輸出模塊為他們的應(yīng)用領(lǐng)域提供了充足的地下通道數(shù)。

　　GUI界面

　　上述硬件接口的機(jī)能一定程度上受到FPGA技術(shù)能力的限制，但是控制系統(tǒng)的界面在Windows PC上運(yùn)行，能充分利用LabVIEW 8.5的特性。采用基于事件的界面，用戶能透過(guò)輸出位置向量或上下、左右和前后增量式移動(dòng)機(jī)器人，來(lái)設(shè)定機(jī)器人終端效應(yīng)器的笛卡爾坐標(biāo)位置和方向。然后展開坐標(biāo)變換，計(jì)算出每個(gè)機(jī)器人下肢所需的下肢角。這些數(shù)據(jù)會(huì)反饋給驅(qū)動(dòng)力器子VI，從所需和實(shí)際的下肢角中計(jì)算出電機(jī)命令訊號(hào)。

為了允許學(xué)生們?cè)趯?lái)實(shí)現(xiàn)不同的Bilaspur，只要模板定義的前面板元件存在，驅(qū)動(dòng)力器子VI在每次運(yùn)行時(shí)都加載并能包含任意的邏輯。這非常有用，因?yàn)閷W(xué)生們可能不能采用LabVIEW環(huán)境下的所有機(jī)能，而根本無(wú)法采用缺少LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time Module的學(xué)生版本。雖然學(xué)生版軟件不能打開全部的機(jī)器人軟件，但學(xué)生們?nèi)匀荒懿捎盟_發(fā)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力器，并在機(jī)器人上展開測(cè)試。

　　他們的“老”機(jī)器人的可靠性是整個(gè)工程項(xiàng)目中的兩個(gè)問(wèn)題，他們須要兩個(gè)機(jī)器人仿真以便他們?cè)跈C(jī)器人維修時(shí)繼續(xù)工作。采用LabVIEW 3D圖像控制，他們建立了機(jī)器人的示意原理圖。采用GUI界面，用戶能得知軟件是否精確表示了當(dāng)前機(jī)器人的位置。當(dāng)建模與現(xiàn)實(shí)不符合時(shí)，用戶可將機(jī)器人送到啟動(dòng)原點(diǎn)，并按下按鈕重新啟動(dòng)軟件。

　　結(jié)論

采用CompactRIO和LabVIEW，他們能在同兩個(gè)程式設(shè)計(jì)環(huán)境中，從頭開始構(gòu)建完整的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力和控制控制系統(tǒng)。借助于CompactRIO驅(qū)動(dòng)力器的可用性，采用高科技的FPGA技術(shù)來(lái)喚醒他們的“古董”機(jī)器人簡(jiǎn)直輕而易舉。做為研究生的我，利用不到九個(gè)月的兼職工程項(xiàng)目工作，就開發(fā)出了包括軟件和硬件的整個(gè)控制系統(tǒng)。

　　致謝

　　我在醫(yī)藥機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)室中完成了這個(gè)工程項(xiàng)目，指導(dǎo)者是Ferdinando Rodriguez y Baena博士。該工程項(xiàng)目是在Christopher Burton已有工作的基礎(chǔ)上展開的。

　　Author Information:

　　Jonas Neubert

　　Imperial College London

South Kensington Campus

　　London SW7 2AZ

　　( 文章來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) )

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