基于 LabVIEW 实时模块的3 自由度气动机械手控.pdf

第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 基于 LabVIEW 实时模块的 3 自由度气动机械手控 制系统的研究 毛新涛 王燕波 杨庆俊 许 剑 包 钢 哈尔滨工业大学气动技术中心 哈尔滨 150001 摘要 本文介绍了 LabVIEW 实时系统以及使用设计方法 根据 3 自由度气动机械手的组成及工作原理构造了基 于 LabVIEW 的实时控制系统并进行了单关节控制及空间轨迹跟踪方面的实验研究 实验结果证明控制系统能够 满足设计需要 并具有灵活的扩展性 关键词 气动机械手 LabVIEW 实时控制 轨迹跟踪 中图分类号 TP241 1 0 前言 随着测控系统的不断发展 用户对于系统的可 靠性 时间确定性等要求越来越高 由此出现了很 多实时测控模式及软件 例如美国 Mathworks 公司 的 RTW 包括 RTW Windows Target 和 xPC Target 等 德国 dSPACE 公司的 ControlDesk 加拿大 OPAL RT 公司 RT LAB Boeing 公司的 Easy 5 等 其中美国 NI 公司研制开发的 LabVIEW RT 系统由 于其简洁的图形化开发环境以及高可靠性和时间确 定性等优点得到了广泛的应用 LabVIEW RT 的开发 运行需要特定的硬件目 标支持 以往的 RT 模块主要支持 3 类硬件方式 RT 系列插入式板卡 RT 系列 PXI RT 系列的 FieldPoint 模块 RT 系列插入式板卡基于 PCI 总线 方式 将嵌入式的处理器板卡和多功能数据采集卡 合并 能提供的 I O 通道较少 单通道 PID 循环速 率在 1KHz 左右 性能一般 FieldPoint 方式能提供 很多的 I O 接口 但是循环速率更低 一般不到 1KHz PXI 控制器方式能够提供较多的 I O 接口 具有较高的控制速率 20KHz 以上 但硬件成本 较高 LabVIEW RT 模块在 8 0 版本之后 支持将 标准的 Desktop PC 转变为 Real Time 实时 目标 机 配置通用的 PCI 数据采集卡 实现高的循环控 制速率 10KHz 以上 并提供了丰富的 I O 接口 与 PXI 系统相比具有较高的性价比优势 目前大多数伺服机器人的驱动都是采用电机或 液压方式 在易燃易爆的环境中使用极不方便 随 着气动伺服技术的不断发展 已能满足一些多点定 位的工业现场 但在要求更复杂 功能更精细的工 业场合还存在一定难度 如喷漆机器人 涂胶机器 人等对气动伺服连续轨迹控制有着更高的要求 因 此由气动伺服系统驱动的机器人就成为工业应用领 域的热门研究课题之一 本文介绍了关节式气动机 械手的组成及工作原理 利用 LabVIEW 实时模块 构造了机械手控制系统 通过路径规划 运动学反 解及关节控制器相关算法 完成了 3 个运动关节的 实时控制 在轨迹跟踪方面的实验取得了满意的效 果 为进一步的工业化应用奠定了基础 1 气动机械手的组成及工作原理 3 自由度气动机械手属于关节串联式机器人 其结构如图 1 所示 它的运动类似人的肢体 由腰 大臂 小臂 3 个关节组成 图 1 气动机械手结构原理图 腰部为旋转运动 由流量比例阀驱动单齿轮齿 条式摆动气缸来实现 旋转编码器通过 1 4 的同步 带轮与腰部转动轴相连 以检测角度信号 大 小 月第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 臂均为俯仰运动 由流量比例阀驱动单出杆双作用 气缸来实现 旋转编码器通过 1 4 的同步带轮与对 应的大 小臂关节俯仰运动轴相连 以检测角度信 号 气动回路原理如图 2 所示 这样实现了单关节 的闭环控制 进而通过相关的控制策略完成了机械 手末端的空间运动控制 气源 小臂关节大臂关节 直线气缸 直线气缸摆动气缸 流量比例阀流量比例阀流量比例阀 腰部关节 图 2 机械手气路原理图 表 1 机械手气动元件一览表 名称 型号 数量 备注 流量比例阀 MPYE5 1 8HF 010 B 3 Festo 摆动气缸 CRA1BW80 180 腰部 1 SMC CG1BN63 175 大臂 1 SMC 单出杆双作用 气缸 CG1BN40 175 小臂 1 SMC 2 机械手控制系统的设计 2 1 控制结构概述 3 自由度气动机械手采用流量比例控制 使用 NI 公司的 PCI 6229 卡 多功能数据采集卡 输出 控制信号 同时使用 NI 公司的 PCI 6602 8 通道正 交编码器计数器卡 检测编码器的角度信号和零位 信号 其硬件组成如图 3 所示 PCI6229 流量 比例阀 腰部关节 PCI6602 旋转 编码器 PCI6229 流量 比例阀 大臂关节 PCI6602 旋转 编码器 PCI6229 流量 比例阀 小臂关节 PCI6602 旋转 编码器 目标工控机 宿主PC机 TCP IP 图 3 机械手控制系统硬件流程图 2 2 实时系统介绍 上位机在安装 LabVIEW8 0 及实时模块之后 打开 Measurement Automation 在 Tools NI Disk Utilities 下选择制作 Format Hard Drive Disk 形式的启动软盘 用此软盘格式化下位机后 基于 Venturcom Phar Lap 公司 ETS 实时操作系统开发的 包含单一实时内核 kernel 的专用 RTOS 被下载到 PC 中 RT 引擎被部署到下位机 下位 PC 机转化 为了实时目标机 系统的控制程序是通过上位机的 LabVIEW RT 开发系统完成的 包括上位机的人机界面和下位机 的实时控制程序 上下位机工作方式 通过 TCP IP 实现通讯 上位机通过网络与下位机的 RT 引擎建 立连接 将实时控制程序下载到 RT 引擎中进行运 行和调试 在控制软件的开发中 上位机主要运行 的是人机交互界面 接受操作人员的命令输入及显 示数据等 下位机主要运行实时控制程序 接受上 位机的命令信号 进行相应的数据采集及实时控制 它们之间的通信是靠网络共享变量机制来实现的 网 络 共 享 变 量 Network Published Shared Variable 是 LabVIEW 新推出的一种变量 它能通 过网络在不同的 VI 之间方便的共享数据 网络共 享变量利用 NI Publish Subscribe Protocol NI PSP 通过网络来发送和接收数据 NI PSP 是建立在 UDP 协议的基础上的 所以比 TCP IP 方式能够有 更高的效率 而且 NI PSP 还在 UDP 的基础上增加 了自己的层来保证数据传递的正确性 如果调用一个网络共享变量 首先得在网络的 SVE shared variable engine 上部署网络共享变量 当你向这个共享变量中写入数的时候 LabVIEW 将 这个新的值发送给网络上的 SVE SVE 然后将这个 值发布出去 使得网络上其它的节点可以得到这个 更新的值 图 4 共享变量读写过程示意图 3 机械手控制流程及软件集成 机械手控制系统的基本流程如图 5 所示 由轨 迹插补模块对途径点分段 采用过四点的 3 次多项 月第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 式插值运算 将计算结果输入运动学反解模块 计 算出关节坐标下各关节的对应的角度 将各运动关 节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控 制 由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置 迪 卡 尔 坐 标 系 下 末 端 位 置 控 制 器 运 动 学 反 解 参 数 设 置 轨 迹 插 补 图 5 机械手控制系统软件流程图 根据系统流程及 LabVIEW 实时模块的工作原 理 采用单神经元自适应 PID 和常规 PVA 极点配置 控制策略 两者可进行对比实验 在这里相关内容 不再详述 程序主界面如图 6 所示 图 6 控制系统主程序界面 4 实验及分析 4 1 单关节控制实验 以腰部关节为例 腰部关节的编码器为 1000 码 周 通过 1 4 的同步带轮与腰部的摆动缸相连 所以腰部关节的分辨率为 360 4000 0 09 系 统采用单神经元自适应 PID 方法 由于腰部关节在 机械手运动时转动惯量变化较大 使用同一控制参 数分别在转动惯量较大 大臂伸出 和较小 大臂 收回 时对其进行了两组跟踪方波信号试验来检验 参数变化对系统动态特性的影响 其结果分别如图 7 和图 8 所示 超调量及响应时间满足要求 系统 具有一定的鲁棒性 图 7 腰部关节方波信号响应 大转动惯量 图 8 腰部关节方波信号响应 小转动惯量 4 2 空间轨迹跟踪实验 对机械手位置的在关节空间内进行轨迹跟踪 控制模块的输入信号为轨迹规划模块组的输出信 号 采用 PID 控制算法 图 9 x1 y1 z1 分别 代表迪卡尔空间内 目标规划路径的 x y z3 个坐 标轴方向的分量随时间变化的的曲线 x2 y2 z2 分别代表机械手实际位置在迪卡尔空间内 3 个坐标 轴方向的分量随时间变化的曲线 图 9 机械手目标曲线与跟踪曲线比较 3 自由度气动机械手控制系统的设计是一项比 较复杂的工作 其中包含轨迹规划 运动学反解 关节控制等多个子模块 需要比较许多不同的算法 月第五届全国流体传动与控制学术会议暨 2008 年中国航空学会液压与气动学术会议 并不断地调整相关控制参数 以 LabVIEW 实时模 块为架构的快速控制原型构造简单 调整方便 非 常适合进行一些控制算法的实验研究 为系统的工 业化应用奠定了一个良好的实验平台 参 考 文 献 1 Santibanez V Kelly R PD control with feedforward compensation for robot manipulators Analysis and experimentation C Instituto Tecnologico de la Laguna Torreon Coah 27001 Mexico 2001 19 1 11 19 2 谭震 蒋洪明 采用神经元补偿器的机械手计算转矩控 制算法 J 机器人 1999 21 2 104 109 3 段锁林 王明智 贾志勇 林庭圻 机器人前馈补偿 滑模鲁棒控制 J 太原重型机械学院学报 1999 20 2 95 99 4 陈宝江 莫波 曹泛 变量泵源阀控系统的前馈自适应 控制方法 J 机械工程学报 2006 42 3 217 220 5 凌万胜 气动六自由度机械手关节控制的研究 D 哈尔 滨工业大学 2002 6 Bobrow James E McDonell Brian W Modeling Identification and Control of Pneumatically Actuated Force Controllable Robot C IEEE Transactions on Robotics and Automation 1998 14 5 732 742 Research on Control System for a Pneumatically Robotic Manipulator with Three Degree of Freedom based on LabVIEW Real Time Module MAO Xintao WANG Yanbo YANG Qingjun XU Jian BAO Gang Pneumatic Center Harbin Institute of Technology Harbin 150001 Abstract LabVIEW real time control system and its using method are introduced in this paper According to the structure and working principle of Pneumatically robotic manipulator with 3 DOF the joint controller was designed based on LabVIEW real time control module The experiments of single joint movement and trajectory tracking with three joints have been carried out As the res