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　　采用NI LabVIEW令“20歲”的機器人恢復正常生機

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業眾所周知研討會

　　引言：

　　在過去的數十年里，工業機器人技術歷經了飛速的產業發展。自十九世紀80年代以來，它們已經從根本無法以有限精度沿著預約拋物線體育運動的抓放式機器人，產業發展成具有高精度、能在病房中應用領域，并且靈巧攝食，與此同時可時常與聽覺控制系統及生產模塊中的其他機器人展開建模的控制系統。

　　Author(s):Jonas Neubert - Imperial College London

　　Industry:Research

　　Products:

CompactRIO, FPGA Module, Real-Time Module

　　The Challenge:

　　為已經遺失驅動力器的20歲工業機器人代替新的驅動力器，并對其展開擴充，使之具有現代機器人控制軟件中的眾所周知機能。建立可透過直觀GUI界面(GUI)操作的、適于研究生實驗課程的控制系統。

　　The Solution:

　　采用NI CompactRIO驅動力器做為機器人驅動力器和編解碼器與LabVIEW 8.5軟件、 比例-積分-微分(PID)widget、3D圖像渲染和VI服務器間的接口，實現機器人體育運動軟件，并能透過GUI展開訪問。

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CompactRIO-9014動態驅動力器

　　"采用CompactRIO和LabVIEW，他們能在單個程式設計環境中，從頭開始構建完整的機器人驅動力和控制控制系統。"

　　在過去的數十年里，工業機器人技術歷經了飛速的產業發展。自十九世紀80年代以來，它們已經從根本無法以有限精度沿著預約拋物線體育運動的抓放式機器人，產業發展成具有高精度、能在病房中應用領域，并且靈巧攝食，與此同時可時常與聽覺控制系統及生產模塊中的其他機器人展開建模的控制系統。這就是他們在大學的倉庫中發現20歲的飛雅特Movemaster機器人時，第一反應是決定把它送給博物館的原因。但是，兩個教師決定把它交給我 —— 當時我還只是一名帝國理工學院的研究生，來使機器人“復活”。

　　工程項目目標

早先的時候，飛雅特Movemaster機器人配有兩個便攜式課堂教學盒、兩個微波爐大小的驅動力模塊和兩個可透過XAUI將所有機器下肢所需的角位置數據傳輸到驅動力模塊的可選計算機。但是現在所有外設都遺失了，所以他們須要修復機器人底座上的36根enum腳位，使其恢復正常原有的機能。他們須要代替以前用于從PC機的建模界面來控制機器人的過時的程式設計語言。考慮到須要保留可能做為課堂教學輔助的應用領域，他們須要建立出一種能允許學生在未來展開便捷擴充的控制系統（特別是不同的Bilaspur）。

　　設計選項

在他們試圖對機器人展開逆向工程后，他們須要透過兩個主要步驟確定控制系統的總體布局。首先，他們須要開發I/O化解方案驅動力機器人的5個直流電機，并與此同時加載編解碼器訊號。第二，他們須要將信息數據傳輸到標準PC機上并將其在GUI上顯示出來。

　　控制系統所需的地下通道數(15路目大吻[PWM]位數輸出和10路位數輸出)和采樣速率(PWM為1kHz而輸出采樣速率為100kHz)都沒有超出標準微驅動力器電子元件的個性化化解方案的范疇。但是，程式設計環境的多樣性和開發這樣控制系統所面臨的挑戰，超出了研究生工程項目的時限和范圍。由于美國國家儀器公司的產品，能提供從數據采集到高級圖形界面開發等全部所需的機能，顯而易見能做為他們的優先選擇之一。

他們優先選擇了CompactRIO電子電路自動驅動力器，利用它來動態采集和處置所需數量的訊號。雖然產品的花費超出了眾所周知研究生工程項目的預算，但考慮到CompactRIO的全面性和可用性，他們還是優先選擇了它。他們能在5分鐘內設定好CompactRIO驅動力器(包括連接線和所有軟件的部署)，而且能在其他工程項目中共用這兩個驅動力器。

　　訊號I/O

CompactRIO驅動力器的現場電子電路可編程(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。利用數量充足的電子電路反相器，他們能夠以1kHz的振幅輸出5個獨立的PWM訊號，輸出10個位數訊號到外部的馬達驅動力芯片，與此同時以100kHz振幅對10條編碼地下通道展開采樣。在FPGA上，他們將每個機器人下肢上的兩個編解碼器上獲得的訊號，顯示成整數以表示相對的下肢角度。采用NI網站上提供的VI幫助他們進一步縮短了FPGA上VI的開發時間。兩個高速切換的位數輸出和位數輸出模塊為他們的應用領域提供了充足的地下通道數。

　　GUI界面

　　上述硬件接口的機能一定程度上受到FPGA技術能力的限制，但是控制系統的界面在Windows PC上運行，能充分利用LabVIEW 8.5的特性。采用基于事件的界面，用戶能透過輸出位置向量或上下、左右和前后增量式移動機器人，來設定機器人終端效應器的笛卡爾坐標位置和方向。然后展開坐標變換，計算出每個機器人下肢所需的下肢角。這些數據會反饋給驅動力器子VI，從所需和實際的下肢角中計算出電機命令訊號。

為了允許學生們在將來實現不同的Bilaspur，只要模板定義的前面板元件存在，驅動力器子VI在每次運行時都加載并能包含任意的邏輯。這非常有用，因為學生們可能不能采用LabVIEW環境下的所有機能，而根本無法采用缺少LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time Module的學生版本。雖然學生版軟件不能打開全部的機器人軟件，但學生們仍然能采用它開發機器人驅動力器，并在機器人上展開測試。

　　他們的“老”機器人的可靠性是整個工程項目中的兩個問題，他們須要兩個機器人仿真以便他們在機器人維修時繼續工作。采用LabVIEW 3D圖像控制，他們建立了機器人的示意原理圖。采用GUI界面，用戶能得知軟件是否精確表示了當前機器人的位置。當建模與現實不符合時，用戶可將機器人送到啟動原點，并按下按鈕重新啟動軟件。

　　結論

采用CompactRIO和LabVIEW，他們能在同兩個程式設計環境中，從頭開始構建完整的機器人驅動力和控制控制系統。借助于CompactRIO驅動力器的可用性，采用高科技的FPGA技術來喚醒他們的“古董”機器人簡直輕而易舉。做為研究生的我，利用不到九個月的兼職工程項目工作，就開發出了包括軟件和硬件的整個控制系統。

　　致謝

　　我在醫藥機電一體化實驗室中完成了這個工程項目，指導者是Ferdinando Rodriguez y Baena博士。該工程項目是在Christopher Burton已有工作的基礎上展開的。

　　Author Information:

　　Jonas Neubert

　　Imperial College London

South Kensington Campus

　　London SW7 2AZ

　　( 文章來源：互聯網 )

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