基于LabVIEW的多控模塊化機(jī)器人控制設(shè)計(jì)

李能菲 常輝 王奎

摘要：工業(yè)機(jī)器人的大量使用，對(duì)操作員的需求劇增，使其成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)一線的新興職業(yè)。目前高校教學(xué)中普遍使用的六軸機(jī)器人是基于Visual C++ MFC平臺(tái)下編寫的控制程序，鑒于MFC開發(fā)周期長(zhǎng)且對(duì)開發(fā)人員編程水平要求較高等問題。文章依托RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機(jī)器人開放式硬件平臺(tái)，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的控制。所設(shè)計(jì)的控制軟件靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)于一般的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;模塊化串聯(lián)機(jī)器人;軟件控制;運(yùn)動(dòng)控制卡

中圖分類號(hào)：TP241.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）11-0107-03

1 引言

工業(yè)機(jī)器人被譽(yù)為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標(biāo)志[1]。我國(guó)已經(jīng)連續(xù)八年成為全球最大的工業(yè)機(jī)器人消費(fèi)國(guó)，2020年制造業(yè)機(jī)器人密度達(dá)到246臺(tái)/萬人，是全球平均水平的近2倍。工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)高端制造行業(yè)。機(jī)器人不僅應(yīng)用于高科技行業(yè)，也在逐漸向傳統(tǒng)行業(yè)延伸，以解決勞動(dòng)密集型企業(yè)用工難的問題。數(shù)據(jù)顯示，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人已在140多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機(jī)器人的大量使用，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)操作員需求激增，使其成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的新興職業(yè)[2]。

目前，眾多的大中專院校開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)及相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)課程。其中，江蘇匯博公司開發(fā)的RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用在職業(yè)技能大賽和實(shí)訓(xùn)教學(xué)中。原有的機(jī)器人控制系統(tǒng)是基于Visual C++ MFC平臺(tái)下編寫的應(yīng)用程序，MFC開發(fā)周期長(zhǎng)且不夠靈活，對(duì)開發(fā)人員編程水平要求較高，對(duì)于高職院校的學(xué)生而言，難度較大，很多時(shí)候?qū)W生只知其一，不知其二，只能按照步驟進(jìn)行訓(xùn)練。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench） 作為一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境[3]，廣泛地被應(yīng)用于在工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)控等場(chǎng)合。在設(shè)計(jì)人機(jī)界面時(shí)，LabVIEW開發(fā)效率更高，能夠大大降低程序開發(fā)時(shí)間與開發(fā)難度。鑒于此，文章以RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，依托開放式硬件平臺(tái)，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的控制，對(duì)控制系統(tǒng)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。所設(shè)計(jì)的控制軟件靈活、可擴(kuò)展性強(qiáng)，在實(shí)際教學(xué)與工業(yè)設(shè)計(jì)中具有一定的推廣作用。

2 六自由度串聯(lián)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

RBT-6T/S01DM型機(jī)器人為6自由度模塊化可拆卸串聯(lián)機(jī)器人，負(fù)載為0.5Kg，如圖1所示，采用伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)，各模塊的傳動(dòng)采用可視化結(jié)構(gòu)，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)配合實(shí)現(xiàn)[4]，具有較高靈活性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)教學(xué)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

六自由度串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示，采用工控機(jī)結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡的開放式結(jié)構(gòu)?？刂撇糠钟布饕校汗I(yè)控制計(jì)算機(jī)、MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4控制板卡、步進(jìn)（或伺服） 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)轉(zhuǎn)換板和其他一些輔助電氣設(shè)備[5]。

其中，模塊1對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為AKS230，電流設(shè)置為3A，細(xì)分設(shè)置為1/32;模塊2對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為MADHT1505E，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

模塊3至模塊6對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)為AKS202A。電流設(shè)置為0.63A，細(xì)分設(shè)置為1/32。

本系統(tǒng)使用了兩塊運(yùn)動(dòng)控制卡，型號(hào)分別為MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4。其中，MAC-3002SSP2可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩軸電機(jī)的控制，MAC-3002SSP4最多可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四軸電機(jī)的控制。這兩塊運(yùn)動(dòng)控制卡用來協(xié)同控制模塊機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的位置和速度的控制?？刂瓶ǖ闹饕刂菩盘?hào)包括：脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和限位信號(hào)與零位信號(hào)[6]。

4 基于LabVIEW模塊化機(jī)器人的控制

教學(xué)用的六軸機(jī)器人控制系統(tǒng)采用VC++ MFC平臺(tái)下編寫的應(yīng)用程序，開發(fā)周期長(zhǎng)且不夠靈活，對(duì)于高職院校的學(xué)生而言，難度較大。LabVIEW簡(jiǎn)單易學(xué)，開發(fā)效率高。這里，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamic Link Library，DLL） 的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)板卡的操作[7]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。在使用LabVIEW編寫測(cè)控程序時(shí)，由于廠家僅提供了DLL和.h文件，未提供相應(yīng)的API函數(shù)對(duì)應(yīng)的子VI，因此需要將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)轉(zhuǎn)換為子VI。通常有兩種辦法來實(shí)現(xiàn)，第一種方式是通過LabVIEW菜單中的“工具”->“導(dǎo)入”->“共享庫(kù)（.DLL） …”的方式按照向?qū)ё詣?dòng)生成子VI[8]。轉(zhuǎn)換完成后，在程序面板點(diǎn)擊右鍵，在編程里面選擇用戶庫(kù)，即可出現(xiàn)轉(zhuǎn)換好的庫(kù)目錄，如圖所示3。

通常情況下，上述方法無法一次性將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中所有的函數(shù)都轉(zhuǎn)換為子VI，這時(shí)可以第二種方式，即通過手動(dòng)的方式，利用LabVIEW函數(shù)選板中的“互聯(lián)接口”中的“庫(kù)與可執(zhí)行程序”中“調(diào)用庫(kù)函數(shù)節(jié)點(diǎn)”即（CLN） 來實(shí)現(xiàn)。處理時(shí)需要用到相應(yīng)的.DLL和相應(yīng)的.h文件，在函數(shù)名中選擇需要轉(zhuǎn)換的函數(shù)名字，按照.h文件中函數(shù)的定義，添加相應(yīng)類型的參數(shù)即可。通過這種手動(dòng)的方式幾乎可以將所有提供DLL和.h的文件轉(zhuǎn)換為子VI的形式[9]。我們以MAC-3002SSP4庫(kù)函數(shù)int ssp2_start_vt_move（int Axis，int FL，int FH，double Tacc）為例來進(jìn)行介紹，該函數(shù)功能是對(duì)一軸加速到一定速度，函數(shù)的返回類型為有符號(hào)32位整型，其中Axis為選擇MAC-3002SSP4控制電機(jī)軸號(hào)，為有符號(hào)32進(jìn)制整型;FL表示初始速度，單位為脈沖數(shù)/秒，取值范圍：[-65535 65535]，符號(hào)表示運(yùn)動(dòng)方向，負(fù)號(hào)為反向運(yùn)動(dòng)，正號(hào)為正向運(yùn)動(dòng);FH為運(yùn)行速度，單位為脈沖數(shù)/秒，取值范圍為[-65535 65535];Tacc表示加速時(shí)間，單位為秒;將其轉(zhuǎn)換為子VI的程序面板和前面板如圖4所示。

基于LabVIEW開發(fā)的六軸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序前面板如圖5所示，初步實(shí)現(xiàn)了6軸電機(jī)的控制，包括正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，同時(shí)在運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)限位狀態(tài)與零位信息，并進(jìn)行狀態(tài)顯示，通過運(yùn)行速度與目標(biāo)位置來調(diào)整每個(gè)模塊的運(yùn)行參數(shù)。

控制程序的架構(gòu)是通過在while循環(huán)中嵌套條件結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，程序初始啟動(dòng)后，首先進(jìn)入Initial條件結(jié)構(gòu)中完成MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4板卡的初始化，同時(shí)對(duì)相應(yīng)控制軸進(jìn)行使能、設(shè)置輸出模塊以及硬件限位后能夠立即停止，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，Initial條件結(jié)構(gòu)的程序框圖如圖6所示。

初始化條件結(jié)構(gòu)完成后程序自動(dòng)切換到idle條件結(jié)構(gòu)中，在idle條件結(jié)構(gòu)完成程序的主要功能。對(duì)于生產(chǎn)端，在相應(yīng)按鈕的單擊“值改變”事件里，通過入隊(duì)列的元素不同在消費(fèi)端進(jìn)行解析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能，如模塊1的正向運(yùn)動(dòng)事件響應(yīng)如圖7所示，當(dāng)單擊模塊1的“正向運(yùn)動(dòng)”，則觸發(fā)其“值改變”事件響應(yīng)，通過將“模塊1正向運(yùn)動(dòng)”元素入隊(duì)列，在消費(fèi)端，通過元素出隊(duì)列對(duì)出隊(duì)列的元素進(jìn)行分類，當(dāng)是“模塊1正向運(yùn)動(dòng)”時(shí)，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)模塊1電機(jī)的正向運(yùn)動(dòng)，如果返回值不為零，則表示運(yùn)行正常，同時(shí)對(duì)相應(yīng)軸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，判斷是否到達(dá)遠(yuǎn)端限位、近端限位或者零位位置，如果到，則相應(yīng)的指示燈變成紅色，并在信息提示欄中進(jìn)行顯示。模塊1反向運(yùn)動(dòng)以及其他模塊2-6的運(yùn)行，編程思路與模塊1正向運(yùn)動(dòng)類似，這里不再贅述。

5 總結(jié)

工業(yè)機(jī)器人在各種行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，使得對(duì)系統(tǒng)操作員的需求劇增，目前眾多的大中專院校中均開設(shè)了工業(yè)機(jī)器人教學(xué)及相應(yīng)的實(shí)訓(xùn)課程。文章針對(duì)教學(xué)用的固有的六軸機(jī)器人控制軟件不靈活等問題，依托開放式硬件平臺(tái)，采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，通過將運(yùn)動(dòng)控制卡提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)轉(zhuǎn)換為子VI的方式，編寫了六軸機(jī)器人控制軟件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的控制，擴(kuò)展性強(qiáng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2022-01-10

基金項(xiàng)目：安徽省質(zhì)量工程項(xiàng)目（2020mooc254） ;校級(jí)質(zhì)量工程教育教學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（2021xjtz033） ;校級(jí)質(zhì)量工程職業(yè)教育“課堂革命”典型案例培育項(xiàng)目（2021xjtz114）

作者簡(jiǎn)介：李能菲（1983—） ，女，安徽安慶人，碩士，講師，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù);常輝（1969—） ，男，安徽懷遠(yuǎn)人，碩士研究生，副教授，研究方向?yàn)楣I(yè)機(jī)器人技術(shù);王奎（1990—） ，男，安徽阜南人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。