基于LabVIEW的四自由度机械臂控制设计.pdf

基于 LabVIEW 的四自由度机械臂运动控制系统设计 2008-10-27 9:39:00 NI- 美国国家仪器有限公司 供稿 应用领域 ：控制设计 挑战 ： 短期内实现 4 自由度机械臂（ 3 台交流伺服电机、 1 台微型直流电机）的 变参数同步运动控制， 为钢丝传动机构的控制提供应用解决方案。 应用方案 ： 方案采用 NI 公司的 LabVIEW8.2 作为开发平台，通过 NI PCI-7344 四轴运动控制卡和多 功能数据采集卡来实现对于机械臂四个自由度的驱动控制，同时利用 LabVIEW8.2 中新增 Project 文件 管理功能和控制设计工具包实现控制软件的快速开发与发布。 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，所以在控制系 统的 设计要求能够对于机械臂最终的末端 位置能够准确地进行反馈控制。 本系统以 PCI-7344 为基础， 通过 NI 公司最新的 LabVIEW8.2 为开发平台对 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电压的方式实现了角度的反馈控制。 借助 LabVIEW 8.2 的强大功能， 我们得以在短时间内完成了控制系统的开发， 同时保证了机械臂的运动精度与负载能力。 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 力方向折叠展开型结构，大臂俯仰与小臂俯仰为一组平面自由度。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和齿轮减速器等额外负载放置在机械臂基座部分， 从而减轻了对其他关节驱动元件的 要求及机械臂整体的功耗，降低了机械臂自身重量，增加了其对外做功的能力和效率。 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。 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 在综合考虑了项目的机械结构要求、功能目标、开发周期等因素后，我们对于控制系统的设计定下如 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