基于LabView 的分揀機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)

陸鑫焱,楊洪濤*

（1. 遼寧科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧科技大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，遼寧 鞍山 114051)

1 項(xiàng)目任務(wù)

本設(shè)計(jì)是一種基于LabView 的分揀機(jī)器人控制軟件，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)LabView 軟件中的數(shù)組操作、字符串操作、事件程序、狀態(tài)機(jī)及I/O 文件存儲(chǔ)等工具，采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)串口的初始化、等待、數(shù)據(jù)操作和退出4 種狀態(tài)，并分別對(duì)應(yīng)不同的事件程序?qū)崿F(xiàn)串口通訊控制分揀機(jī)器人，應(yīng)用字符串操作截取輸入命令行中的電機(jī)序號(hào)和轉(zhuǎn)角等信息傳輸給數(shù)組元素顯示，對(duì)調(diào)試好的命令行進(jìn)行I/O 文件存儲(chǔ)等操作[1-2]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用虛擬儀器技術(shù)，通過串口通信和I/O文件存儲(chǔ)等操作，快速實(shí)現(xiàn)分揀機(jī)器人控制軟件。串口通信是一種傳輸數(shù)據(jù)的通訊方式，該通信方式電路簡(jiǎn)單易于部署，穩(wěn)定性高且通信成本低，適合用于分揀機(jī)器人的控制[3-4]。軟件的總體設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 通信模塊設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行通信模塊的設(shè)計(jì)，通過串口傳輸和接收數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)軟件與分揀機(jī)器人的通信[5]。創(chuàng)建一個(gè)VI 并切換到程序框圖界面，與串口相關(guān)的函數(shù)位于函數(shù)→儀器I/O→串口函數(shù)庫中。在虛擬儀器技術(shù)LabView軟件中，串口發(fā)送一次數(shù)據(jù)的過程為：應(yīng)用Configure Port 函數(shù)打開串口，應(yīng)用Write 函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)和應(yīng)用Close 函數(shù)關(guān)閉串口，實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1） 切換到程序框圖，選擇函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)→while 循環(huán)，完成循環(huán)結(jié)構(gòu)添加，在循環(huán)條件按鈕上點(diǎn)擊右鍵選擇創(chuàng)建輸入控件，生成停止按鈕。

（2） 選擇函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)→事件結(jié)構(gòu)，在while 循環(huán)中放置事件結(jié)構(gòu)。

（3） 切換到前面板，選擇控件→布爾→確定按鈕→修改標(biāo)簽為serial_open，添加打開串口的按鈕。

（4） 切換到程序框圖，在事件結(jié)構(gòu)中添加事件分支，在[0]超時(shí)處→右鍵→添加事件分支→事件源選擇serial_open。

（5） 將serial_open 按鈕放入事件結(jié)構(gòu)[1]“serial_open”值改變分支中。

（6） 在事件結(jié)構(gòu)[1]“serial_open”值改變分支中依次添加，函數(shù)→儀器I/O→串口→VISA 配置串口；在控件的資源名稱接口→右鍵→創(chuàng)建→輸入控件；函數(shù)→編程→簇→解除綁定；函數(shù)→編程→布爾→非；函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)→條件結(jié)構(gòu)；在其條件假中添加單按鈕對(duì)話框。

（7） 切換到前面板中添加串口狀態(tài)顯示燈，選擇控件→布爾→圓形指示燈→修改標(biāo)簽為serial_state。

（8） 繼續(xù)進(jìn)行細(xì)節(jié)完善，切換到前面板選擇serial_open 按鈕→右鍵→屬性→選擇多字符串顯示→設(shè)置打開（close）、關(guān)時(shí)（open）；serial_open 按鈕→右鍵→機(jī)械動(dòng)作→單擊時(shí)轉(zhuǎn)換。

（9） 切換到程序框圖事件結(jié)構(gòu)中添加條件結(jié)構(gòu)，選擇函數(shù)→編程→結(jié)構(gòu)→條件結(jié)構(gòu)，連接serial_open 按鈕，判決按鍵的狀態(tài)執(zhí)行不同的條件結(jié)構(gòu)。

（10） 在條件結(jié)構(gòu)為假的框圖中添加關(guān)閉串口的程序，選擇函數(shù)→儀器I/O→串口→VISA 關(guān)閉。

（11） 返回到條件框圖真，在輸入控件VISA resourse name→右鍵→創(chuàng)建→局部變量，把創(chuàng)建的局部變量右鍵轉(zhuǎn)換為輸入，連接到VISA 關(guān)閉上。同樣把serial_state 狀態(tài)燈創(chuàng)建局部變量拖動(dòng)到條件結(jié)構(gòu)為假的框圖中。通信模塊設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 通信模塊設(shè)計(jì)圖

3.2 狀態(tài)機(jī)模塊設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)一般包括初始化、等待命令、執(zhí)行事件等功能，這些功能通過狀態(tài)機(jī)來統(tǒng)籌設(shè)計(jì)完成。實(shí)現(xiàn)過程：

（1） 切換到前面板，選擇控件→下拉列表與枚舉→枚舉，新建一個(gè)枚舉后，在枚舉上右鍵→制作自定義類型，然后再右鍵→打開自定義類型并作為控件保存為狀態(tài)機(jī).ctl，這個(gè)狀態(tài)機(jī)可以像控件一樣拖動(dòng)到程序中使用。

（2） 在打開的狀態(tài)機(jī)上→右鍵→編輯項(xiàng)，插入Init、Wait、Get Data、Exit 四項(xiàng)。

（3） 將制作的狀態(tài)機(jī)拖動(dòng)到程序框圖界面，連接到while 循環(huán)上，并在連接點(diǎn)循環(huán)隧道上→右鍵→替換為移位寄存器，while 循環(huán)內(nèi)增加一個(gè)條件結(jié)構(gòu)，將移位寄存器連接到條件結(jié)構(gòu)的分支選擇器用來讀取while 循環(huán)傳遞過來的狀態(tài)機(jī)中的值，在條件結(jié)構(gòu)的選擇器標(biāo)簽上→右鍵→為每個(gè)值添加分支建立標(biāo)簽。While 循環(huán)每執(zhí)行一次，讀取移位寄存器的值，下次循環(huán)用上次循環(huán)讀進(jìn)來的值。

3.3 初始化模塊設(shè)計(jì)

設(shè)置條件結(jié)構(gòu)的選擇器標(biāo)簽為“Init”，將按鈕、狀態(tài)燈的初始化程序放入條件結(jié)構(gòu)中，選擇編程→字符串→空字符串常量賦值給read_buffer 清空顯示控件窗口，同樣清空write_buffer 輸入控件窗口，復(fù)制狀態(tài)機(jī)設(shè)置為Wait 狀態(tài)連接到移位寄存器。

3.4 待機(jī)模塊設(shè)計(jì)

（1） 在串口打開失敗條件結(jié)構(gòu)中，增加狀態(tài)機(jī)并調(diào)整 為Wait 連接到移位寄存器。

（2） 在串口打開成功（真）條件結(jié)構(gòu)中增加狀態(tài)機(jī)調(diào)整為GetData 連接到移位寄存器。

（3） 在關(guān)閉窗口條件結(jié)構(gòu)中，增加狀態(tài)機(jī)調(diào)整為Wait 連接到移位寄存器，在事件結(jié)構(gòu)中選擇器標(biāo)簽為[0]超時(shí)分支中，創(chuàng)建串口狀態(tài)局部變量和條件結(jié)構(gòu)，檢測(cè)串口是否成功打開，如果打開成功則轉(zhuǎn)到GetDate 狀態(tài)，如果打開失敗則轉(zhuǎn)到Wait 狀態(tài)。

3.5 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

在條件結(jié)構(gòu)接收數(shù)據(jù)GetData 程序框圖中，如果串口傳過來的數(shù)據(jù)不為0，則執(zhí)行條件結(jié)構(gòu)的“真”分支程序，將串口中的數(shù)據(jù)和字節(jié)總數(shù)傳輸給VISA 讀取控件，創(chuàng)建VISA 讀取控件的局部變量（其中存儲(chǔ)原有數(shù)據(jù)）與新讀取的緩沖數(shù)據(jù)通過字符串連接控件連接后，傳輸給字符串顯示控件，狀態(tài)機(jī)Wait 狀態(tài)賦值給while 循環(huán)。程序運(yùn)行后實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)圖

3.6 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

（1） 在前面板增加發(fā)送按鈕send，在程序框圖事件結(jié)構(gòu)中增加[2]“send”值改變選擇器標(biāo)簽，當(dāng)串口狀態(tài)為真時(shí)，將在寫入控件write buffer 中輸入的字符串傳輸給VISA 寫入控件，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)的字符串命令行格式為“電機(jī)序號(hào)”+“/”+“電機(jī)轉(zhuǎn)角”，實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送。

（2） 進(jìn)行字符串操作，將寫入控件write buffer中輸入的字符串命令行傳輸給字符串匹配模式控件，按照字符“/”截取出字符串命令行前端的電機(jī)序號(hào)用于控制相應(yīng)位置的狀態(tài)顯示燈亮滅，截取出字符串命令行前端的電機(jī)轉(zhuǎn)角數(shù)值顯示在相應(yīng)的數(shù)組元素，顯示電機(jī)目前的轉(zhuǎn)角；執(zhí)行操作后將狀態(tài)機(jī)GetData 狀態(tài)傳輸給while 循環(huán)。

（3） 當(dāng)串口狀態(tài)為假時(shí)，執(zhí)行“請(qǐng)打開串口”按鍵對(duì)話框，并將狀態(tài)機(jī)Wait 狀態(tài)傳輸給while 循環(huán)。

（4） 進(jìn)一步完善端口打開模塊，在前面板增加波特率下拉菜單，右鍵→下拉列表→菜單下拉列表，右鍵→編輯項(xiàng)，去掉有序值勾選框，修改數(shù)據(jù)類型表示法為U64，在編輯項(xiàng)增加9600、115200 等波特率選項(xiàng)，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊設(shè)計(jì)圖

4 軟件測(cè)試

4.1 軟件環(huán)境應(yīng)用測(cè)試

該設(shè)計(jì)完整實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目任務(wù)的各項(xiàng)要求和目標(biāo)設(shè)定，測(cè)試過程如下：

（1） 使用虛擬串口軟件虛擬出兩個(gè)tw 串口，使用串口調(diào)試助手打開com1，使用本分揀機(jī)器人控制軟件打開com2，狀態(tài)燈點(diǎn)亮成功。

（2） 使用串口調(diào)試助手發(fā)送字符串“hello mainmotor!”，使用本設(shè)計(jì)發(fā)送字符串“3/1500”，雙方收發(fā)成功，表明串口通信功能測(cè)試成功，程序中的狀態(tài)機(jī)和事件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行正確。

（3） 第三個(gè)顯示電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的指示燈點(diǎn)亮，第三個(gè)顯示電機(jī)轉(zhuǎn)角的數(shù)組顯示“1500”，表明程序該項(xiàng)功能測(cè)試成功，字符串操作和數(shù)組操作設(shè)計(jì)和運(yùn)行正確。

（4） 點(diǎn)擊“save”按鈕存儲(chǔ)write_buffer 中的字符串命令行到文件中，再點(diǎn)擊“open_txt”按鈕打開該文件，內(nèi)容在txt_show 中正確顯示，表明本程序的I/O 文件功能測(cè)試成功。

4.2 硬件環(huán)境應(yīng)用測(cè)試

采用Arduino 開發(fā)板作為控制板通過USB 串口連接到電腦，應(yīng)用2 個(gè)TBS-K20 舵機(jī)，1 個(gè)TBSNK15 舵機(jī)，3 個(gè)42 行星減速步進(jìn)電機(jī)，2 個(gè)DSP 數(shù)字式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器DM542，搭建分揀機(jī)器人，構(gòu)成測(cè)試硬件環(huán)境，見圖5。經(jīng)過測(cè)試后達(dá)到同軟件測(cè)試相同的效果，測(cè)試數(shù)據(jù)見表1。

表1 硬件環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 硬件環(huán)境測(cè)試

5 結(jié)論

本文采用虛擬儀器技術(shù)的LabView 軟件設(shè)計(jì)工具，快速實(shí)現(xiàn)了分揀機(jī)器人的控制軟件，實(shí)現(xiàn)了物品抓取、分揀和工作流程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，經(jīng)軟件和硬件雙重環(huán)境測(cè)試，本控制軟件操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，達(dá)到了項(xiàng)目任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求。面對(duì)目前需求多樣化的機(jī)器人市場(chǎng)，通過該方法可以快速設(shè)計(jì)出符合項(xiàng)目要求的機(jī)器人配套操作軟件，提高控制軟件質(zhì)量和項(xiàng)目研發(fā)效率。