基于LabVIEW的機(jī)械臂實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示系統(tǒng)

田如安 李筠 楊海馬

摘 要：為解決機(jī)械臂運(yùn)行過(guò)程中受地域條件等因素影響導(dǎo)致各關(guān)節(jié)運(yùn)行位置觀察不便的問(wèn)題，結(jié)合3D動(dòng)畫(huà)顯示、機(jī)械臂操控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的六自由度機(jī)械臂運(yùn)行實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)建立動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)、運(yùn)行控制區(qū)等界面，實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)顯示與控制，通過(guò)機(jī)械臂運(yùn)行時(shí)的3D動(dòng)畫(huà)監(jiān)控，顯示六自由度機(jī)械臂運(yùn)行狀況。該系統(tǒng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活有較大應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：3D動(dòng)畫(huà);LabVIEW;六自由度機(jī)械臂;實(shí)時(shí)顯示

DOI：10. 11907/rjdk. 191871 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2020）005-0151-04

0 引言

機(jī)器人機(jī)械臂應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，機(jī)械臂開(kāi)發(fā)難度也越來(lái)越大，尋求一套高效的設(shè)計(jì)方法，選擇一個(gè)合適的開(kāi)發(fā)平臺(tái)顯得尤為重要[1-4]。王夢(mèng)雅等[5]設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的舵機(jī)機(jī)械臂控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的控制，但其僅僅控制關(guān)節(jié)運(yùn)行，沒(méi)有機(jī)械臂運(yùn)行顯示功能;李憲華等[6]設(shè)計(jì)了一款機(jī)械臂3D虛擬仿真平臺(tái)，仿真模型細(xì)節(jié)顯示逼真，平臺(tái)和開(kāi)發(fā)仿真程序效率較高，但僅為仿真條件下，并未進(jìn)行實(shí)際系統(tǒng)調(diào)試?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)一款穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)械臂實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)顯示系統(tǒng)[7-8]。通過(guò)上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合串口通信發(fā)送命令至機(jī)械臂使機(jī)械臂運(yùn)行。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能如下：①對(duì)機(jī)械臂角度運(yùn)行控制;②在LabVIEW環(huán)境下實(shí)現(xiàn)六自由度機(jī)械臂的大小縮放與角度運(yùn)轉(zhuǎn);③實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景機(jī)械臂與實(shí)體機(jī)械臂的同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由上位機(jī)、舵機(jī)控制器、舵機(jī)、六自由度機(jī)械臂組成，系統(tǒng)采用基于PC機(jī)+舵機(jī)控制器控制舵機(jī)的方式。PC機(jī)主要在LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境下負(fù)責(zé)人機(jī)界面交互及控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，舵機(jī)控制器按照上位機(jī)發(fā)送的指令工作，將輸入/輸出等指令轉(zhuǎn)換為底層舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)指令，進(jìn)而控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。每條指令可以控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。舵機(jī)接收到指令后，帶動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)到每條指令信息所代表的位置。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 LabVIEW特點(diǎn)

LabVIEW基于圖形符號(hào)進(jìn)行程序編寫(xiě)，稱為虛擬儀器程序（簡(jiǎn)稱VI）。LabVIEW功能的強(qiáng)大之處在于其層次化結(jié)構(gòu)，對(duì)于大型程序編寫(xiě)，可多層次調(diào)用模塊化子程序。通過(guò)這種創(chuàng)建和調(diào)用子程序方法，可使創(chuàng)建的程序模塊化，從而區(qū)別于傳統(tǒng)的文本方式編程語(yǔ)言，使程序很容易調(diào)試、理解和維護(hù)[9]。LabVIEW廣泛應(yīng)用于汽車通信、電子設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制及工業(yè)控制等方面[10]。LabVIEW與其它基于文本的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言相比，還具有圖形可視性高、語(yǔ)言模塊化、開(kāi)發(fā)環(huán)境可以通用等特點(diǎn)[11]。因此，本文選用LabVIEW作為機(jī)械臂運(yùn)行控制的上位機(jī)軟件。

1.2 六自由度機(jī)械臂

本文設(shè)計(jì)一個(gè)用于物品搬運(yùn)的六自由度機(jī)械手臂，機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)包括關(guān)節(jié)1旋轉(zhuǎn)、關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)動(dòng)、關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)動(dòng)、關(guān)節(jié)4上下擺動(dòng)、關(guān)節(jié)5左右旋轉(zhuǎn)以及關(guān)節(jié)6的張合，即機(jī)械手臂的自由度為6[12-13]。六自由度機(jī)械臂實(shí)物如圖2所示。

1.2.1 舵機(jī)控制板

控制板包括基礎(chǔ)板和在主板接口的51板兩個(gè)部分，如圖3所示?？刂瓢逭９ぷ麟妷簽?.4V-8.4V，低于6.4V時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出低壓報(bào)警信號(hào)，本文采用AD/DC 電源適配器解決電壓?jiǎn)栴}?？刂瓢迳系腢SB接口用來(lái)下載或調(diào)試程序，只需接到電腦上，打開(kāi)相應(yīng)的上位機(jī)即可。舵機(jī)接口連接舵機(jī)，藍(lán)牙接口連接藍(lán)牙通信設(shè)備，可用于稍遠(yuǎn)距離的通信控制。

1.2.2 舵機(jī)

各個(gè)關(guān)節(jié)分別采用不同的舵機(jī)，爪子部分使用具有防堵轉(zhuǎn)功能的數(shù)字舵機(jī)。當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，發(fā)生堵轉(zhuǎn)超過(guò)4分鐘時(shí)舵機(jī)會(huì)自動(dòng)停止工作。后面兩個(gè)舵機(jī)是防堵轉(zhuǎn)低功耗數(shù)字舵機(jī)，當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部會(huì)自動(dòng)保護(hù)。在平臺(tái)上面的兩個(gè)舵機(jī)是高精度雙軸數(shù)字舵機(jī)。底座上的舵機(jī)采用大扭力1501舵機(jī)，它有15kg扭力。每個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度均為180°。若超過(guò)這個(gè)范圍，舵機(jī)就會(huì)因?yàn)槌鰞闪砍谭秶鵁o(wú)法接收到PC機(jī)命令，因此舵機(jī)只能在0°-180°之間運(yùn)動(dòng)?？赏ㄟ^(guò)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間操作機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)

本文在PC機(jī)上用LabVIEW設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)控制界面和控制程序[14-15]?？刂平缑嫒鐖D4所示，分為運(yùn)行控制區(qū)、串口通信區(qū)與機(jī)械臂運(yùn)行動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)。

2.1 機(jī)械臂運(yùn)行動(dòng)畫(huà)顯示

動(dòng)畫(huà)顯示區(qū)見(jiàn)圖4右半部區(qū)域動(dòng)畫(huà)，可實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)情況[16-17]，方便觀察機(jī)械臂運(yùn)行狀況。機(jī)械臂運(yùn)行動(dòng)畫(huà)控制程序如圖5所示，下面選取關(guān)節(jié)1的程序進(jìn)行闡述。

如圖5所示，左半部是使用solidwork所畫(huà)關(guān)節(jié)1的三維動(dòng)畫(huà)路徑函數(shù)及路徑的子vi，經(jīng)過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)讀取將各個(gè)關(guān)節(jié)的三維對(duì)象添加至三維場(chǎng)景中。經(jīng)過(guò)平移vi設(shè)置，按照指定的向量平移場(chǎng)景中的各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)象到達(dá)指定位置，使六自由度機(jī)械臂可以完整運(yùn)行。圖5右半部為六自由度機(jī)械臂與動(dòng)畫(huà)機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)核心框架。由于動(dòng)畫(huà)機(jī)械臂與使用的機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系不同，因此對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行弧度與角度換算，達(dá)到動(dòng)畫(huà)與六自由度機(jī)械臂聯(lián)動(dòng)的效果。

旋轉(zhuǎn)子vi在輸入命令后，控制動(dòng)畫(huà)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，程序框圖和控制程序如圖6和圖7所示。在左側(cè)已經(jīng)設(shè)置好三維動(dòng)畫(huà)場(chǎng)景，因此從左側(cè)三維動(dòng)畫(huà)引用過(guò)來(lái)的對(duì)象，經(jīng)過(guò)圖中X軸和角度的限制與轉(zhuǎn)換即可輸出旋轉(zhuǎn)后的對(duì)象。

2.2 串口通信區(qū)

串口通信控制界面與控制程序如圖8所示。VISA是虛擬儀器系統(tǒng)I/O接口軟件?；谧缘紫蛏辖Y(jié)構(gòu)模型的VISA創(chuàng)造了一個(gè)統(tǒng)一形式的I/O控制函數(shù)集。在控制界面選定好機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)所需的串口協(xié)議就可與舵機(jī)控制器進(jìn)行串口通信[18-19]。舵機(jī)控制器主要功能是驅(qū)動(dòng)多路舵機(jī)，其內(nèi)部寫(xiě)有與外部設(shè)備進(jìn)行通信的串口協(xié)議，通過(guò)PC機(jī)操作上位機(jī)軟件給控制器傳遞控制指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)多路伺服電機(jī)單獨(dú)控制或同時(shí)控制。通信協(xié)議如表1所示。

幀頭：連續(xù)收到兩個(gè)0x55，表示有數(shù)據(jù)包到達(dá)。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于除幀頭兩個(gè)字節(jié)外待發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，即參數(shù)個(gè)數(shù)+2;指令：各種控制指令;參數(shù)：除指令外需要補(bǔ)充的控制信息。參數(shù)1：要控制舵機(jī)的個(gè)數(shù);參數(shù)2：時(shí)間低8位;參數(shù)3：時(shí)間高8位;參數(shù)4：舵機(jī)ID號(hào);參數(shù)5：角度位置低8位;參數(shù)6：角度位置高8位;參數(shù)……：格式與參數(shù)4，5，6相同，控制不同ID的角度位置。

2.3 運(yùn)行控制區(qū)

運(yùn)行控制區(qū)首欄為控制動(dòng)畫(huà)中機(jī)械臂的縮放、上下移動(dòng)、關(guān)節(jié)6轉(zhuǎn)動(dòng)等相關(guān)操作[20-21]。第二欄為控制機(jī)械臂運(yùn)行與動(dòng)畫(huà)聯(lián)動(dòng)相關(guān)操作。使用的機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度全部為0°-180°，因此設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4、關(guān)節(jié)5、關(guān)節(jié)6均為0°-180°，動(dòng)畫(huà)界面的機(jī)械臂也設(shè)計(jì)為0°-180°與機(jī)械臂進(jìn)行匹配聯(lián)動(dòng)?；瑒?dòng)界面上各個(gè)關(guān)節(jié)的滑塊，可分別控制六自由度機(jī)械臂與動(dòng)畫(huà)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2和圖4所示。起始關(guān)節(jié)位置分別設(shè)定為90°，也就是機(jī)械臂處于直立狀態(tài)下的位置。考慮到90°位置的選取問(wèn)題，另在滑塊旁邊添加輸入控件，可直接修改角度數(shù)值至90°，進(jìn)而可方便控制機(jī)械臂的起始位置和需要的精確位置。圖9為關(guān)節(jié)2運(yùn)行至60°、關(guān)節(jié)3運(yùn)行至30°時(shí)的位置。添加運(yùn)動(dòng)按鈕可使機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)按照上方各個(gè)滑塊所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位置進(jìn)行6個(gè)關(guān)節(jié)同步運(yùn)轉(zhuǎn)到所需位置。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于小車等可移動(dòng)物體上，由小車搭載機(jī)械臂進(jìn)行物體搬運(yùn)、拾取等工作，對(duì)于災(zāi)后不利于人類進(jìn)出的場(chǎng)所具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今智能技術(shù)成為主流，機(jī)器人機(jī)械臂應(yīng)用越來(lái)越廣，很多具有重復(fù)性或有危險(xiǎn)的勞動(dòng)都可交由機(jī)器人完成。本文在3D動(dòng)畫(huà)顯示、機(jī)械臂操控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配與算法設(shè)計(jì)，獲取機(jī)械臂運(yùn)行實(shí)時(shí)顯示功能。結(jié)果顯示該系統(tǒng)控制效果良好，具有LabVIEW控制界面顯示直觀、3D動(dòng)畫(huà)機(jī)械臂與六自由度機(jī)械臂匹配程度高、實(shí)時(shí)性良好等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)可將此系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合可移動(dòng)小車等物體用于工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際生活。本文系統(tǒng)節(jié)省了人力，使被加工物品更加精致規(guī)范，還可避免出現(xiàn)某些不必要的傷亡，有著較高的應(yīng)用價(jià)值，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）