基于LabVIEW的多控模塊化機器人控制設(shè)計

李能菲 常輝 王奎

摘要：工業(yè)機器人的大量使用，對操作員的需求劇增，使其成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)一線的新興職業(yè)。目前高校教學中普遍使用的六軸機器人是基于Visual C++ MFC平臺下編寫的控制程序，鑒于MFC開發(fā)周期長且對開發(fā)人員編程水平要求較高等問題。文章依托RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機器人開放式硬件平臺，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運動控制卡動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)對機器人本體的控制。所設(shè)計的控制軟件靈活、可擴展性強，對于一般的控制系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：LabVIEW;模塊化串聯(lián)機器人;軟件控制;運動控制卡

中圖分類號：TP241.2? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）11-0107-03

1 引言

工業(yè)機器人被譽為“制造業(yè)皇冠頂端的明珠”，其研發(fā)、制造、應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新和高端制造業(yè)水平的重要標志[1]。我國已經(jīng)連續(xù)八年成為全球最大的工業(yè)機器人消費國，2020年制造業(yè)機器人密度達到246臺/萬人，是全球平均水平的近2倍。工業(yè)機器人已經(jīng)成功應(yīng)用于多個高端制造行業(yè)。機器人不僅應(yīng)用于高科技行業(yè)，也在逐漸向傳統(tǒng)行業(yè)延伸，以解決勞動密集型企業(yè)用工難的問題。數(shù)據(jù)顯示，目前國內(nèi)工業(yè)機器人已在140多個行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)機器人的大量使用，對工業(yè)機器人的系統(tǒng)操作員需求激增，使其成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的新興職業(yè)[2]。

目前，眾多的大中專院校開設(shè)了工業(yè)機器人教學及相應(yīng)的實訓(xùn)課程。其中，江蘇匯博公司開發(fā)的RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機器人被廣泛應(yīng)用在職業(yè)技能大賽和實訓(xùn)教學中。原有的機器人控制系統(tǒng)是基于Visual C++ MFC平臺下編寫的應(yīng)用程序，MFC開發(fā)周期長且不夠靈活，對開發(fā)人員編程水平要求較高，對于高職院校的學生而言，難度較大，很多時候?qū)W生只知其一，不知其二，只能按照步驟進行訓(xùn)練。LabVIEW（Laboratory Virtual instrument Engineering Workbench） 作為一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境[3]，廣泛地被應(yīng)用于在工業(yè)自動化、測控等場合。在設(shè)計人機界面時，LabVIEW開發(fā)效率更高，能夠大大降低程序開發(fā)時間與開發(fā)難度。鑒于此，文章以RBT-6T/S01DM型多控模塊化積木式可拆裝串聯(lián)機器人為研究對象，依托開放式硬件平臺，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運動控制卡的動態(tài)鏈接庫的方式來實現(xiàn)對機器人本體的控制，對控制系統(tǒng)軟件進行二次開發(fā)。所設(shè)計的控制軟件靈活、可擴展性強，在實際教學與工業(yè)設(shè)計中具有一定的推廣作用。

2 六自由度串聯(lián)機器人本體結(jié)構(gòu)

RBT-6T/S01DM型機器人為6自由度模塊化可拆卸串聯(lián)機器人，負載為0.5Kg，如圖1所示，采用伺服電機和步進電機混合驅(qū)動，各模塊的傳動采用可視化結(jié)構(gòu)，由錐齒輪、同步齒型帶和諧波減速器等多種傳動結(jié)構(gòu)配合實現(xiàn)[4]，具有較高靈活性，在機械結(jié)構(gòu)教學、運動規(guī)劃和編程控制系統(tǒng)設(shè)計中得到廣泛應(yīng)用。

3 機器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

六自由度串聯(lián)機器人控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示，采用工控機結(jié)合運動控制卡的開放式結(jié)構(gòu)。控制部分硬件主要有：工業(yè)控制計算機、MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4控制板卡、步進（或伺服） 電機驅(qū)動器、信號轉(zhuǎn)換板和其他一些輔助電氣設(shè)備[5]。

其中，模塊1對應(yīng)的步進電機驅(qū)動器型號為AKS230，電流設(shè)置為3A，細分設(shè)置為1/32;模塊2對應(yīng)的伺服電機驅(qū)動器型號為MADHT1505E，相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

模塊3至模塊6對應(yīng)的步進電機驅(qū)動器的型號為AKS202A。電流設(shè)置為0.63A，細分設(shè)置為1/32。

本系統(tǒng)使用了兩塊運動控制卡，型號分別為MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4。其中，MAC-3002SSP2可以實現(xiàn)對兩軸電機的控制，MAC-3002SSP4最多可以實現(xiàn)對四軸電機的控制。這兩塊運動控制卡用來協(xié)同控制模塊機器人，實現(xiàn)步進電機和伺服電機的位置和速度的控制。控制卡的主要控制信號包括：脈沖信號、方向信號和限位信號與零位信號[6]。

4 基于LabVIEW模塊化機器人的控制

教學用的六軸機器人控制系統(tǒng)采用VC++ MFC平臺下編寫的應(yīng)用程序，開發(fā)周期長且不夠靈活，對于高職院校的學生而言，難度較大。LabVIEW簡單易學，開發(fā)效率高。這里，以LabVIEW為開發(fā)環(huán)境，通過調(diào)用運動控制卡的動態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library，DLL） 的方式來實現(xiàn)對板卡的操作[7]，進而實現(xiàn)對模塊機器人的運動控制。在使用LabVIEW編寫測控程序時，由于廠家僅提供了DLL和.h文件，未提供相應(yīng)的API函數(shù)對應(yīng)的子VI，因此需要將動態(tài)鏈接庫轉(zhuǎn)換為子VI。通常有兩種辦法來實現(xiàn)，第一種方式是通過LabVIEW菜單中的“工具”->“導(dǎo)入”->“共享庫（.DLL） …”的方式按照向?qū)ё詣由勺覸I[8]。轉(zhuǎn)換完成后，在程序面板點擊右鍵，在編程里面選擇用戶庫，即可出現(xiàn)轉(zhuǎn)換好的庫目錄，如圖所示3。

通常情況下，上述方法無法一次性將動態(tài)鏈接庫中所有的函數(shù)都轉(zhuǎn)換為子VI，這時可以第二種方式，即通過手動的方式，利用LabVIEW函數(shù)選板中的“互聯(lián)接口”中的“庫與可執(zhí)行程序”中“調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點”即（CLN） 來實現(xiàn)。處理時需要用到相應(yīng)的.DLL和相應(yīng)的.h文件，在函數(shù)名中選擇需要轉(zhuǎn)換的函數(shù)名字，按照.h文件中函數(shù)的定義，添加相應(yīng)類型的參數(shù)即可。通過這種手動的方式幾乎可以將所有提供DLL和.h的文件轉(zhuǎn)換為子VI的形式[9]。我們以MAC-3002SSP4庫函數(shù)int ssp2_start_vt_move（int Axis，int FL，int FH，double Tacc）為例來進行介紹，該函數(shù)功能是對一軸加速到一定速度，函數(shù)的返回類型為有符號32位整型，其中Axis為選擇MAC-3002SSP4控制電機軸號，為有符號32進制整型;FL表示初始速度，單位為脈沖數(shù)/秒，取值范圍：[-65535 65535]，符號表示運動方向，負號為反向運動，正號為正向運動;FH為運行速度，單位為脈沖數(shù)/秒，取值范圍為[-65535 65535];Tacc表示加速時間，單位為秒;將其轉(zhuǎn)換為子VI的程序面板和前面板如圖4所示。

基于LabVIEW開發(fā)的六軸機器人運動控制程序前面板如圖5所示，初步實現(xiàn)了6軸電機的控制，包括正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，同時在運行過程中，實時檢測限位狀態(tài)與零位信息，并進行狀態(tài)顯示，通過運行速度與目標位置來調(diào)整每個模塊的運行參數(shù)。

控制程序的架構(gòu)是通過在while循環(huán)中嵌套條件結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，程序初始啟動后，首先進入Initial條件結(jié)構(gòu)中完成MAC-3002SSP2和MAC-3002SSP4板卡的初始化，同時對相應(yīng)控制軸進行使能、設(shè)置輸出模塊以及硬件限位后能夠立即停止，對機械結(jié)構(gòu)進行保護，Initial條件結(jié)構(gòu)的程序框圖如圖6所示。

初始化條件結(jié)構(gòu)完成后程序自動切換到idle條件結(jié)構(gòu)中，在idle條件結(jié)構(gòu)完成程序的主要功能。對于生產(chǎn)端，在相應(yīng)按鈕的單擊“值改變”事件里，通過入隊列的元素不同在消費端進行解析，進而實現(xiàn)相應(yīng)的功能，如模塊1的正向運動事件響應(yīng)如圖7所示，當單擊模塊1的“正向運動”，則觸發(fā)其“值改變”事件響應(yīng)，通過將“模塊1正向運動”元素入隊列，在消費端，通過元素出隊列對出隊列的元素進行分類，當是“模塊1正向運動”時，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，實現(xiàn)模塊1電機的正向運動，如果返回值不為零，則表示運行正常，同時對相應(yīng)軸狀態(tài)進行實時檢測，判斷是否到達遠端限位、近端限位或者零位位置，如果到，則相應(yīng)的指示燈變成紅色，并在信息提示欄中進行顯示。模塊1反向運動以及其他模塊2-6的運行，編程思路與模塊1正向運動類似，這里不再贅述。

5 總結(jié)

工業(yè)機器人在各種行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，使得對系統(tǒng)操作員的需求劇增，目前眾多的大中專院校中均開設(shè)了工業(yè)機器人教學及相應(yīng)的實訓(xùn)課程。文章針對教學用的固有的六軸機器人控制軟件不靈活等問題，依托開放式硬件平臺，采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，通過將運動控制卡提供的動態(tài)鏈接庫轉(zhuǎn)換為子VI的方式，編寫了六軸機器人控制軟件，以實現(xiàn)對機器人本體的控制，擴展性強，具有一定的應(yīng)用價值。

參考文獻：

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收稿日期：2022-01-10

基金項目：安徽省質(zhì)量工程項目（2020mooc254） ;校級質(zhì)量工程教育教學研究重點項目（2021xjtz033） ;校級質(zhì)量工程職業(yè)教育“課堂革命”典型案例培育項目（2021xjtz114）

作者簡介：李能菲（1983—） ，女，安徽安慶人，碩士，講師，研究方向為工業(yè)機器人技術(shù);常輝（1969—） ，男，安徽懷遠人，碩士研究生，副教授，研究方向為工業(yè)機器人技術(shù);王奎（1990—） ，男，安徽阜南人，碩士研究生，講師，研究方向為電氣自動化技術(shù)。