基于CRIO 的機械臂測控系統(tǒng)設(shè)計研究

常 浩

（國營長虹機械廠，廣西桂林 541003）

0.引言

機械臂作為集成機械制造、人工智能算法等多種先進技術(shù)的機械設(shè)備，其運動過程取決于動力源、控制設(shè)備的同步作用，任意一項因素選擇不合理、指標設(shè)計不當均可能增加機械臂運行過程中的抖動、偏移幅度，影響機械臂的實際使用性能。為進一步拓寬機械臂在不同行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景，需結(jié)合機械臂的實際運行工況環(huán)境與運行過程中不同結(jié)構(gòu)的受力特征進行PID 控制與性能檢測系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計，依托測控系統(tǒng)進行機械臂的標準調(diào)試與性能優(yōu)化，從而為產(chǎn)品應(yīng)用及推廣提供借鑒意義。

1.機械臂運動學(xué)分析與軌跡規(guī)劃

1.1 運動學(xué)分析

機械臂主要由機身、臂部、腕部、手部組成基本機械結(jié)構(gòu)，利用與底座連接的機身支撐大臂、小臂，借助臂部結(jié)構(gòu)的運動調(diào)整末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)，由外部實現(xiàn)自由度調(diào)節(jié)，并依托手部執(zhí)行具體的抓取、焊接等作業(yè)任務(wù)[1]。根據(jù)機械臂結(jié)構(gòu)特征進行運動學(xué)分析，主要以位置、姿態(tài)兩項指標進行運動學(xué)空間描述，預(yù)先設(shè)定連桿為剛性，運用齊次變換法進行機械臂運動過程中位姿變化情況的描述，引入笛卡爾坐標系與旋轉(zhuǎn)矩陣描述其末端執(zhí)行器的姿態(tài)。在位姿描述上，將機械臂任意關(guān)節(jié)設(shè)為A，通過建立坐標系描述A 關(guān)節(jié)的空間位姿，選中A 關(guān)節(jié)的特征點作為坐標系的原點，利用位置矢量進行該特征點的描述，并引入{B}坐標系作為參考，借助旋轉(zhuǎn)矩陣R 表示{B}坐標系的具體方位，由此建立{A}進行A 關(guān)節(jié)位姿的描述，其矩陣表示為：

在實際位姿描述環(huán)節(jié)，當描述關(guān)節(jié)所在位置時，運用旋轉(zhuǎn)矩陣R=I；當描述關(guān)節(jié)所在的方位時，則運用位置矢量。

1.2 軌跡規(guī)劃算法

根據(jù)機械臂的運動學(xué)分析結(jié)果，引入數(shù)學(xué)算法即可輔助完成機械臂運動軌跡規(guī)劃，例如，借助點A到點B的空間位置關(guān)系描述，用于描述機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)抓取物體時的運動軌跡，生成不同空間位置下的機械臂運動軌跡信息，支持對機械臂單獨關(guān)節(jié)進行靈活控制，減輕實際操作環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與分析任務(wù)量，生成機械臂運動期望軌跡[2]。

2.基于CRIO 的測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于機械臂在制造業(yè)不同應(yīng)用場景的高精度使用需求，引入CRIO 硬件、LabVIEW 開發(fā)工具與FPGA 技術(shù)進行機械臂測控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。整體測控系統(tǒng)由以下3 個模塊組成：（1）傳感模塊，包含多個傳感裝置與信號放大器，用于采集機械臂運行工況下的氣體壓力、轉(zhuǎn)動速度、位姿角度等信息，并經(jīng)由信號放大、轉(zhuǎn)譯后生成機械臂狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)計算機程序運算后生成及執(zhí)行具體控制指令；（2）計算機模塊，配置高性能PC 端，用于根據(jù)傳感模塊回傳數(shù)據(jù)生成控制指令，控制機械臂的運動狀態(tài)、調(diào)節(jié)實時姿態(tài)等，并且在屏幕端實現(xiàn)測控數(shù)據(jù)的實時顯示；（3）CRIO 模塊，包含數(shù)據(jù)文件、實時控制器與FPGA 機箱，由CRIO 系統(tǒng)負責(zé)連接傳感模塊與計算機終端，基于RS-485、Profibus、CANopen 總線通訊協(xié)議與傳感模塊建立連接，通過TCP/IP 協(xié)議實現(xiàn)與計算機終端顯控設(shè)備的通信，用于執(zhí)行對傳感信號的采集調(diào)理，將運行控制算法生成的運算結(jié)果轉(zhuǎn)化為信號形式輸出，實現(xiàn)對機械臂位置、姿態(tài)等狀態(tài)的實時控制。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 傳感模塊

在測控系統(tǒng)硬件設(shè)備選型上，綜合考慮傳感器尺寸、輸出響應(yīng)值、信號分辨率及通訊協(xié)議等要求，分別引入HDI300 傾角傳感器、SCL3300-D01-10 傾角傳感器，基于CANopen 通訊協(xié)議測量機械臂主臂、副臂的俯仰角與橫滾角數(shù)據(jù)；引入CC1400 旋轉(zhuǎn)編碼器，基于Profibus 通訊協(xié)議測量機械臂主臂、副臂的轉(zhuǎn)動角度；引入KFZ15-24T輸出電動執(zhí)行機構(gòu)（4mA ～20mA）作為閥門執(zhí)行器，利用HAWE EV1M2-12/24、EV1M2-24/48 比例放大器進行輸出信號的放大處理，實現(xiàn)對機械臂運動過程的控制。

2.2.2 計算機模塊

顯控設(shè)備選用福日N610 便攜式PC 機，引入LabVIEW開發(fā)工具進行軟件程序開發(fā)，將開發(fā)工具安裝在PC 機端，支持與CRIO 控制器建立連接，啟用編程等功能模塊，實現(xiàn)對多臺不同規(guī)格型號、功能與結(jié)構(gòu)的機械臂進行實時控制，完成位姿狀態(tài)評估與檢測。

2.2.3 CRIO 系統(tǒng)模塊

CompactRIO（簡稱為CRIO）是一種嵌入式控制系統(tǒng)，在整體測控系統(tǒng)中占據(jù)核心地位，負責(zé)采集機械臂自身與運行過程中各類參數(shù)，借助相應(yīng)算法完成參數(shù)的運算、輸出控制信號，用于捕捉機械臂的實時狀態(tài)變化信息，調(diào)節(jié)機械臂的運動軌跡、姿態(tài)等，并借助信號板卡將輸入信號、輸出信號接入系統(tǒng)控制器中，結(jié)合測控系統(tǒng)的實際應(yīng)用、數(shù)據(jù)處理需求進行板卡的交換。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.3.1 軟件設(shè)計思路

在計算機終端、CRIO 系統(tǒng)中均涉及應(yīng)用軟件，計算機端的應(yīng)用軟件可直接部署在PC 端，經(jīng)由以太網(wǎng)完成數(shù)據(jù)傳遞，并以三維形式呈現(xiàn)在顯控端；CRIO 系統(tǒng)中基于CRIO-9038 嵌入式實時控制器提供的RT 開發(fā)工具運行軟件程序，將多個傳感裝置采集的數(shù)據(jù)進行匯總，完成數(shù)據(jù)運算與整合分類，結(jié)合系統(tǒng)實際控制需求經(jīng)由以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，利用LabVIEW 提供的功能模塊即可直接實現(xiàn)CRIO 系統(tǒng)軟件的編程設(shè)計。但考慮到編碼器在輸出脈沖信號時，原有編程環(huán)境下的采樣率僅能控制在1kHz 左右，因此仍需引入FPGA 技術(shù)提高采樣率，利用FPGA 程序控制IP 等硬件設(shè)備，并將最終生成的測控系統(tǒng)程序應(yīng)用于FPGA 機箱內(nèi)，經(jīng)FIFO 或RT 端口建立與外部的通信連接。

2.3.2 傳感數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

由于機械臂運行過程中反饋的狀態(tài)參數(shù)包含壓力、速度、角度等多種傳感參數(shù)，同時涉及CANopen、Profibus、TCP/IP 等不同類型的通信協(xié)議，還需根據(jù)實際控制要求進行部分數(shù)據(jù)的二次加工，因此需對傳感器數(shù)據(jù)傳輸、處理程序進行詳細編程設(shè)計。

（1）在機械臂旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運行過程中，主臂、副臂的旋轉(zhuǎn)角度、擺動幅度等數(shù)據(jù)分別通過CANopen、Profibus 兩種通信協(xié)議進行傳輸，需在FPGA 模式下分別驅(qū)動CANopen與DP 兩個模塊，通過調(diào)用其子程序?qū)崿F(xiàn)姿態(tài)角度數(shù)據(jù)的采集功能。

（2）在機械臂中設(shè)有剎車閥、平衡閥等多種類型閥組，基于4mA～20mA 電流驅(qū)動控制器運行，生成控制信號。根據(jù)機械臂在執(zhí)行不同操作任務(wù)時的運動速率控制要求，基于RT 端可直接調(diào)用閥門執(zhí)行器進行控制信號的緩慢輸出；也可基于FPGA 端調(diào)用電流輸出模塊，經(jīng)由端口實現(xiàn)控制信號的較快輸出。

2.3.3 PID 控制程序設(shè)計

考慮到機械臂在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景較為復(fù)雜，諸如大風(fēng)天氣、水下作業(yè)均有可能導(dǎo)致機械臂實際轉(zhuǎn)動角度、位置出現(xiàn)誤差，對此需通過負反饋補償進行誤差調(diào)節(jié)，避免在抓取零部件、重物等情況下出現(xiàn)操作失誤情況。對此選擇基于PID 控制原理進行機械臂轉(zhuǎn)動誤差的整定調(diào)節(jié)，啟用RT 端的PID 循環(huán)程序，采集、分析機械臂運行過程中的傾斜角度、位置等數(shù)據(jù)，經(jīng)由PID 運算后生成維持機械臂抓取物體水平穩(wěn)定的標準轉(zhuǎn)動角度參數(shù)，經(jīng)由電流輸出模塊進行轉(zhuǎn)動控制信號的傳遞，實現(xiàn)負反饋補償控制功能。綜合考慮實際制造生產(chǎn)過程中使用的機械臂類型，引入自整定循環(huán)程序進行驅(qū)動增益等參數(shù)的循環(huán)整定，借此生成理想條件下的PID 控制調(diào)節(jié)參數(shù)，保證PID 程序有效發(fā)揮對機械臂動作的穩(wěn)定控制作用。在實際應(yīng)用場景下，可能涉及多種不同類型、規(guī)格的機械臂進行同步作業(yè)，利用PID 進行程序控制時僅需修改輸出信號，即可實現(xiàn)對不同驅(qū)動方式、不同動力源的PID 整定調(diào)節(jié)功能。

2.3.4 三維顯示模塊設(shè)計

通過在計算機顯控設(shè)備中輸入控制信號，使機械臂執(zhí)行控制命令，在短時間內(nèi)以旋轉(zhuǎn)、伸縮、移動等方式調(diào)節(jié)姿態(tài)與運行軌跡，但考慮到機械臂操作精度較高、部分細微動作難以被肉眼捕捉，因此需引入三維顯示功能進行機械臂運動細節(jié)的可視化呈現(xiàn)。在三維顯示模塊設(shè)計上，將CRIO 控制器傳遞的控制信號經(jīng)由以太網(wǎng)傳遞至RT 端，經(jīng)程序編碼轉(zhuǎn)譯后實現(xiàn)對機械臂實時姿態(tài)在屏幕端的可視化呈現(xiàn)，基于25F 的刷新速率實現(xiàn)對機械臂三維姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時更新，可供操作人員顯控設(shè)備端直觀查看或回放機械臂的運動過程、捕捉實時姿態(tài)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進行程序參數(shù)調(diào)整及數(shù)據(jù)分析。

2.3.5 PC 端、CRIO 端軟件集成

由于該測控系統(tǒng)實行軟硬件的一體化設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制需求進行軟件程序設(shè)計，并根據(jù)數(shù)據(jù)采樣頻率、不同類型數(shù)據(jù)的存儲文件大小、數(shù)據(jù)存儲速度等統(tǒng)計分析結(jié)果，最終確認基于LabVIEW 環(huán)境、調(diào)用SQL 數(shù)據(jù)庫進行TDMS 數(shù)據(jù)存儲，生成精細化數(shù)據(jù)檢索結(jié)果。軟件系統(tǒng)的運行流程為：運行PC.vi →調(diào)用RT.vi →調(diào)用FPGA 數(shù)據(jù)采集.vi →確認數(shù)據(jù)正確性→數(shù)據(jù)傳輸RT.vi →DMA FIFO 傳輸→數(shù)據(jù)整合、存儲→結(jié)束。

2.4 系統(tǒng)應(yīng)用測試

2.4.1 測試環(huán)境搭建

選取某機械廠生產(chǎn)的機械臂進行安裝與測試，將機械臂安裝在實驗室的全自動液壓傳動綜合實驗臺上，分別對機械臂的控制響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)誤差、軟件延遲等技術(shù)參數(shù)進行測評，調(diào)節(jié)實驗臺的振動、搖擺激勵參數(shù)，并采集機械臂的位姿等實時狀態(tài)參數(shù)，輔助完成機械臂使用性能評估。觀察計算機顯控界面可以發(fā)現(xiàn)，在實驗臺邊緣處共設(shè)有6 個支撐點，各支撐點處分別配置液壓油缸，用于提供X軸、Y軸兩個方向上的信號搖擺激勵，在測試過程中向液壓油缸輸出兩自由度的正弦或其他波形，即可模擬在大風(fēng)或水上等極端工況下的機械臂運行工況，實現(xiàn)對機械臂操作過程中的誤差補償PID 控制及運行狀態(tài)實時監(jiān)測。

2.4.2 測試結(jié)果分析

通過獲取機械臂在空載、加載兩種狀態(tài)下的小臂姿態(tài)控制曲線，可直觀查看預(yù)設(shè)小臂的輸入角度、實際姿態(tài)角度等參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)輸入角度判斷輸出理論值。從中可以看出，在空載狀態(tài)下小臂的PID 參數(shù)對于上升方向的角度響應(yīng)水平低于下降方向的角度響應(yīng)值，其超調(diào)量同樣小于下降狀態(tài)，由于機械臂自重高達7kg 以上，因此，在小臂移動過程中可能受慣性的干擾?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果，選擇下調(diào)PID 比例系數(shù)，實行PID 控制參數(shù)的重新整定，同時在小臂的執(zhí)行機構(gòu)上額外施加180kg 負載。重新觀察PID 控制模式下的角度響應(yīng)情況，從中可觀察到小臂的PID 參數(shù)對于上升狀態(tài)下的角度響應(yīng)水平同比空載狀態(tài)下呈現(xiàn)出大幅提升，且超調(diào)量顯著減少，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后獲得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.4°，由此可判斷小臂的運行控制精度滿足要求，可作為控制機械臂運行狀態(tài)的標準PID 參數(shù)，并將其寫入PLC 控制程序中，實現(xiàn)機械臂運行過程的自動化控制功能。

此外，通過分別對計算機PC 端與RT 端的軟件程序運行結(jié)果進行監(jiān)測可知，軟件測試系統(tǒng)均保持安全可靠運行，經(jīng)PID 整定后的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小于0.4°，控制信號輸出、機械臂姿態(tài)數(shù)據(jù)采集的循環(huán)時長分別為0.3ms 和50ms，由此證明，該測控系統(tǒng)能夠有效滿足對機械臂的測控需求，具備良好的應(yīng)用價值。

3.結(jié)語

通過結(jié)合機械作業(yè)領(lǐng)域?qū)τ跈C械臂的操作控制需求，引入CRIO 硬件裝置搭建機械臂測控系統(tǒng)的基本框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)硬件配置情況應(yīng)用LabVIEW 進行軟件應(yīng)用程序的開發(fā)，基于FPGA 技術(shù)實現(xiàn)軟硬件系統(tǒng)的一體化設(shè)計，實現(xiàn)對不同監(jiān)控方案、測試需求的靈活部署，并支持與機械臂整體結(jié)構(gòu)及其不同部位進行穩(wěn)步對接，完成姿態(tài)、位置等性能參數(shù)的評估。最終測試結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)能夠有效滿足機械臂的性能測試與狀態(tài)監(jiān)測需求，實現(xiàn)對運動角度、運行軌跡等姿態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集與分析處理，且測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、拆裝便捷，未來引入小型化、輕量化設(shè)計方案即可有效實現(xiàn)在不同工況場景下的靈活部署，為機械設(shè)備改造及更新提供良好的示范經(jīng)驗。