基于 LabVIEW 的四自由度机械臂运动控制系统设计 作者： 万志成 陶俊 张伟军 单位： 上海交通大学机器人研究所 应用领域：控制设计 系 统的设计要求能够对于机械臂最 和齿轮减速器等额外负载放置在机械 终的末端 位置能够准确地进行反馈 臂基座部分，从而减轻了对其他关节驱 挑战： 短期内实现 4 自由度机械臂（3 台交 控制。 动元件的要求及机械臂整体的功耗，降 流伺服电机、1 台微型直流电机）的 变参数同 本系统以 PCI-7344 为基础，通过 低了机械臂自身重量，增加了其对外做 步运动控制，为钢丝传动机构的控制提供应用 NI 公司最新的 LabVIEW8.2 为开发平台 功的能力和效率。 解决方案。 对 3 台伺服电机实行位置伺服和编码器 反馈，对直流电机利用线性电位器反馈 应用方案： 方案采用 NI 公司的 LabVIEW8.2 电压的方式实现了角度的反馈控制。借 作为开发平台，通过 NI PCI-7344 四轴运动控 助 LabVIEW8.2 的强大功能，我们得以 制卡和多功能数据采集卡来实现对于机械臂四 在短时间内完成了控制系统的开发，同 个自由度的驱动控制，同时利用 LabVIEW8.2 时保证了机械臂的运动精度与负载能 中新增 Project 文件管理功能和控制设计工具 力。 包实现控制软件的快速开发与发布。 四自由度机械臂机械系统 本文讨论的四自由度机械臂面向 中小型物流系统应用。其基本的设计要 求为：实用、有相对大的作业空间、抓 取重量不小于 2.5kg、具有不大于 10mm 的重复定位精度、自重轻、外观整洁。 图 1 机械臂整体结构示意图 出于操作便捷实用的考虑，设计 腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部 回转 4 个自由度，整体采用重力方向折 图 2 钢丝传动机构原理图 该机械臂不仅实现重量轻、对外做 功能力大等性能指标要求，而且具有制 造简单造价低等优点有利于工业推广 普及。通过新型内嵌式钢丝绳张紧装置 可以轻松简便的对张紧力进行现场调 节，解决了钢丝绳传动存在的各种问 题，有效的提高了机械臂的重复定位精 度，自重与负载能力比达到 4：1，可以 广泛的应用到以中小型物流系统为代 表的工业环境中，也可作为教学科研演 示设备进行推广。 角度 1 角度 2 角度 3 角度 4 ≥280° (-140°～140°) ≥150° (-10°～140°) ≥180° (30°～210°) ≥300° L1，L2， (-150°～150°) 64mm, L3 的长度 伸展长度 350mm, 350mm 700mm 总重 负载 12kg 3kg 使用产品： LabVIEW 8.20 NI PCI-7344 四轴运动控制卡 介绍 尽管对于机械操作臂的研究已不是一个 全新的课题，但是，如何在保证机械手臂高 的位置精度的条件尽可能地降低制造成本和 缩短制造周期，这仍然是值得我们不断探索 的问题。 传统工业机械臂，其设计方法多为串联 形式，即通过将驱动与传动元件如电机、减 速器等直接安装在转动副附近，这样的设计 虽然简单直接但是由于驱动件自身成为了机 械臂负载，所以大大减少了机械臂的有效载 荷，同时也会产生振动等不良影响降低机械 臂定位精度。在本课题中我们提出了利用钢 丝传动机构来实现驱动件到末端负载的动力 传递，这样的设计可以最大程度的减小了驱 动件本身对于机械臂负载能力的影响，同时 由于钢丝本身的弹性也使得机械臂具有一定 柔性，实现一定的自适应功能。由 于传动件的位置调整，所以在控制 叠展开型结构，大臂俯仰与小臂俯仰为 表 1 各项参数范围及取值 一组平面自由度。机械手臂主要通过钢 丝绳传动机构，把小臂俯仰关节的电机 

图 3 四自由度机械臂样机 图 4 钢丝传动机构示意图 控制系统设计 加工、控制系统软硬件设计等进度，这 机械臂的技术要求后，主要功能大致可 些也是我们优先选择 LabVIEW 作为系统 以分为以下几类：系统硬件信息反馈、 在综合考虑了项目的机械结构 开发平台的重要原因。 运动参数设置、手动及自动运动控制、 要求、功能目标、开发周期等因素 图 5 显示了控制系统构成的整体框 机械臂空间位置的捕捉与再现、文件操 后，我们对于控制系统的设计定下 图。 作等。这几者之间的相互关系可以通过 如下的方案： 1. 对于底盘（腰部）、大臂俯仰、 小臂俯仰这三个自由度，利用 伺服电机驱动和编码器反馈来 构成闭环控制系统，由于本项 目对于定位精度的要求，伺服 电机控制方式选为位置控制 （即脉冲控制）。因此我们选用 了 NI PCI-7344 作为伺服电机 的运动控制器。 2. 对于手腕旋转自由度以及抓取 手爪吸合张开的控制，考虑到 这部分机构主要处于靠近末端 负载，要求体积尺寸小等原因， 我们选择采用了直流电机配齿 轮减速器并通过线性电位计的 电压值来间接测量角度值的方 案。 3. LabVIEW 本身带有大量的数字 信号处理 vi，可以十分有效地 解决控制系统中常会遇到的信 号干扰及滤波等问题。利用 LabVIEW 更可以大幅缩短项目 的开发周期，在短短 3 个月内 我们迅速完成了从机械设计、材料 软件设计 如下的软件流程图来表示。 控制系统软件设计在考虑了整个 

手动 禁止输入 指令输入 否 是 是 否 程序启动 初始化设置 伺服电机上电复 位到原点 复位完成 是 控制方式 自动 否 是 是 否 否 位置检测 指令输入 禁止输入 运动完成 运动完成 单轴运动 位置检测 允许输入 否 否 文件操作 结束控制 是 结束程序 是 退出 图 6 机械臂控制软件流程图 读取点坐标 多轴同步运动 位置检测 允许输入 

需要说明的是对于伺服电机位 subvi 的管理不善（如文件丢失等情 库（dll）和屏蔽了源代码的 vi（Block 置的检测主要是通过对相应伺服电 况），整个软件系统的工作会受到较大 Diagram 不可见）。 机编码器的读取来获得实际位置的 影响。在 LabVIEW 推出的 8.0 及 8.2 版 此外，在利用板卡采集直流电机电 反馈，在极限位置处我们借助霍尔 中，Project 开发方式的推出给这一问 位器输入电压时我们遇到了交流干扰 传感器向 PCI-7344 传递触发信号， 题的解决带来了希望。 信号的影响，借助 LabVIEW 自带的信号 实现极限位置的检测并通过定时读 通过 Project Explorer 我们在开 处理函数可以有效地抑制干扰信号对 取 IO 寄存器的值来实现机械臂运 发过程不仅可以有效对于各个功能（如 于程序判断逻辑的影响（在现场无法快 动状态的反馈。而直流电机的位置 伺服驱动器工作状态反馈、直流电机位 速需得物理滤波器时，可以考虑利用 检测则是通过固结在齿轮减速器上 置测量、直流电机位置控制等）进行独 LabVIEW 的软件滤波）。 的线性电位机的电压来间接测量出 立开发，更可以保证主 vi 中调用的功 直流电机的转角。 能与 subvi 的一致，而不用像低版本中 文件操作 软件的主界面如下图所示： 那样，一旦 subvi 有变化，主 vi 需要 在程序的开发过程中我们时常会 开发过程 图 7 机械臂控制软件前面板 逐个去手动更新。 遇到需要对一些数据进行添加、保存、 在 LabVIEW8.0 之前的版本 使用 Project Explorer 的另一个 删除、读取等功能的场合，在例如 VC 中，许多在主程序中需要多次复用 好处在于程序封装发布的便利。如图 8 或者 VB 等开发平台中，文档的操作由 的功能都是通过 subvi 封装来进行 所示，通过 build specification 中的 于涉及了文档模版结构的设计、文件指 调用的。当这样的 subvi 数量多的 不同选择，可以将源程序封装成 exe 文 针操作及消息影射等，文件操作的实现 时候，对于这些文件的管理会成为 件，或者是带 LabVIEW Runtime Engine 显得较为复杂。 不小的工作量。甚至，因为某些 的 Installer 安装文件，以及动态链接 而在 LabVIEW 中借助 write to 

spreadsheet、read from spreadsheet 等文件操作 vi 和表格 控件、数组操作 vi 及自定义空间等 就可以轻松实现常用的 txt、xls 等 数据文件格式的读写等功能 (如图 9 所示)。 结论 借助 LabVIEW，我们在课题中 能够快速地将开发和调试过程有机 地结合在一起，利用 LabVIEW 开发 出能够有效将机械臂所需要的电机 驱动器、位置编码器、极限位置传 感器和数字 IO 口等硬件资源整合 的控制系统设计和相应软件，并且 保证了机构的精度和开发时间的进 度要求。 参考文献 [1] 雷振山.LabVIEW 7 EXPRESS 实 用技术教程.中国铁道出版社.2004 [2] 杨乐平.LabVIEW 高级程序设计. 清华大学出版社.2003 [3] Jianjun Yuan, Weijun Zhang, "Research on Novel Wire Driving Robot Manipulator for Local Industrial Production Line", Proc. of the IEEE Int. Conf. on Mechatronics and Automation, 2007 [4] 宫金良,赵现朝,高峰.基于 LabVIEW 和 PXI-7538 多轴运动控制 卡的地震模拟振动台控制系统设计. 美国国家仪器中国有限公司 2006 年优秀论文合订本 图 8 LabVIEW 中 Project 功能 图 9 文件操作程序示例