基于CRIO 的機械臂測控系統設計研究

常 浩

（國營長虹機械廠，廣西桂林 541003）

0.引言

機械臂作為集成機械制造、人工智能算法等多種先進技術的機械設備，其運動過程取決于動力源、控制設備的同步作用，任意一項因素選擇不合理、指標設計不當均可能增加機械臂運行過程中的抖動、偏移幅度，影響機械臂的實際使用性能。為進一步拓寬機械臂在不同行業領域的應用前景，需結合機械臂的實際運行工況環境與運行過程中不同結構的受力特征進行PID 控制與性能檢測系統的開發設計，依托測控系統進行機械臂的標準調試與性能優化，從而為產品應用及推廣提供借鑒意義。

1.機械臂運動學分析與軌跡規劃

1.1 運動學分析

機械臂主要由機身、臂部、腕部、手部組成基本機械結構，利用與底座連接的機身支撐大臂、小臂，借助臂部結構的運動調整末端執行器的位置、姿態，由外部實現自由度調節，并依托手部執行具體的抓取、焊接等作業任務[1]。根據機械臂結構特征進行運動學分析，主要以位置、姿態兩項指標進行運動學空間描述，預先設定連桿為剛性，運用齊次變換法進行機械臂運動過程中位姿變化情況的描述，引入笛卡爾坐標系與旋轉矩陣描述其末端執行器的姿態。在位姿描述上，將機械臂任意關節設為A，通過建立坐標系描述A 關節的空間位姿，選中A 關節的特征點作為坐標系的原點，利用位置矢量進行該特征點的描述，并引入{B}坐標系作為參考，借助旋轉矩陣R 表示{B}坐標系的具體方位，由此建立{A}進行A 關節位姿的描述，其矩陣表示為：

在實際位姿描述環節，當描述關節所在位置時，運用旋轉矩陣R=I；當描述關節所在的方位時，則運用位置矢量。

1.2 軌跡規劃算法

根據機械臂的運動學分析結果，引入數學算法即可輔助完成機械臂運動軌跡規劃，例如，借助點A到點B的空間位置關系描述，用于描述機械臂末端執行機構抓取物體時的運動軌跡，生成不同空間位置下的機械臂運動軌跡信息，支持對機械臂單獨關節進行靈活控制，減輕實際操作環節的數據采集與分析任務量，生成機械臂運動期望軌跡[2]。

2.基于CRIO 的測控系統設計與實現

2.1 系統總體結構

基于機械臂在制造業不同應用場景的高精度使用需求，引入CRIO 硬件、LabVIEW 開發工具與FPGA 技術進行機械臂測控系統的開發設計。整體測控系統由以下3 個模塊組成：（1）傳感模塊，包含多個傳感裝置與信號放大器，用于采集機械臂運行工況下的氣體壓力、轉動速度、位姿角度等信息，并經由信號放大、轉譯后生成機械臂狀態監測數據，經計算機程序運算后生成及執行具體控制指令；（2）計算機模塊，配置高性能PC 端，用于根據傳感模塊回傳數據生成控制指令，控制機械臂的運動狀態、調節實時姿態等，并且在屏幕端實現測控數據的實時顯示；（3）CRIO 模塊，包含數據文件、實時控制器與FPGA 機箱，由CRIO 系統負責連接傳感模塊與計算機終端，基于RS-485、Profibus、CANopen 總線通訊協議與傳感模塊建立連接，通過TCP/IP 協議實現與計算機終端顯控設備的通信，用于執行對傳感信號的采集調理，將運行控制算法生成的運算結果轉化為信號形式輸出，實現對機械臂位置、姿態等狀態的實時控制。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 傳感模塊

在測控系統硬件設備選型上，綜合考慮傳感器尺寸、輸出響應值、信號分辨率及通訊協議等要求，分別引入HDI300 傾角傳感器、SCL3300-D01-10 傾角傳感器，基于CANopen 通訊協議測量機械臂主臂、副臂的俯仰角與橫滾角數據；引入CC1400 旋轉編碼器，基于Profibus 通訊協議測量機械臂主臂、副臂的轉動角度；引入KFZ15-24T輸出電動執行機構（4mA ～20mA）作為閥門執行器，利用HAWE EV1M2-12/24、EV1M2-24/48 比例放大器進行輸出信號的放大處理，實現對機械臂運動過程的控制。

2.2.2 計算機模塊

顯控設備選用福日N610 便攜式PC 機，引入LabVIEW開發工具進行軟件程序開發，將開發工具安裝在PC 機端，支持與CRIO 控制器建立連接，啟用編程等功能模塊，實現對多臺不同規格型號、功能與結構的機械臂進行實時控制，完成位姿狀態評估與檢測。

2.2.3 CRIO 系統模塊

CompactRIO（簡稱為CRIO）是一種嵌入式控制系統，在整體測控系統中占據核心地位，負責采集機械臂自身與運行過程中各類參數，借助相應算法完成參數的運算、輸出控制信號，用于捕捉機械臂的實時狀態變化信息，調節機械臂的運動軌跡、姿態等，并借助信號板卡將輸入信號、輸出信號接入系統控制器中，結合測控系統的實際應用、數據處理需求進行板卡的交換。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 軟件設計思路

在計算機終端、CRIO 系統中均涉及應用軟件，計算機端的應用軟件可直接部署在PC 端，經由以太網完成數據傳遞，并以三維形式呈現在顯控端；CRIO 系統中基于CRIO-9038 嵌入式實時控制器提供的RT 開發工具運行軟件程序，將多個傳感裝置采集的數據進行匯總，完成數據運算與整合分類，結合系統實際控制需求經由以太網進行數據傳輸，利用LabVIEW 提供的功能模塊即可直接實現CRIO 系統軟件的編程設計。但考慮到編碼器在輸出脈沖信號時，原有編程環境下的采樣率僅能控制在1kHz 左右，因此仍需引入FPGA 技術提高采樣率，利用FPGA 程序控制IP 等硬件設備，并將最終生成的測控系統程序應用于FPGA 機箱內，經FIFO 或RT 端口建立與外部的通信連接。

2.3.2 傳感數據處理程序設計

由于機械臂運行過程中反饋的狀態參數包含壓力、速度、角度等多種傳感參數，同時涉及CANopen、Profibus、TCP/IP 等不同類型的通信協議，還需根據實際控制要求進行部分數據的二次加工，因此需對傳感器數據傳輸、處理程序進行詳細編程設計。

（1）在機械臂旋轉機構運行過程中，主臂、副臂的旋轉角度、擺動幅度等數據分別通過CANopen、Profibus 兩種通信協議進行傳輸，需在FPGA 模式下分別驅動CANopen與DP 兩個模塊，通過調用其子程序實現姿態角度數據的采集功能。

（2）在機械臂中設有剎車閥、平衡閥等多種類型閥組，基于4mA～20mA 電流驅動控制器運行，生成控制信號。根據機械臂在執行不同操作任務時的運動速率控制要求，基于RT 端可直接調用閥門執行器進行控制信號的緩慢輸出；也可基于FPGA 端調用電流輸出模塊，經由端口實現控制信號的較快輸出。

2.3.3 PID 控制程序設計

考慮到機械臂在制造業領域的應用場景較為復雜，諸如大風天氣、水下作業均有可能導致機械臂實際轉動角度、位置出現誤差，對此需通過負反饋補償進行誤差調節，避免在抓取零部件、重物等情況下出現操作失誤情況。對此選擇基于PID 控制原理進行機械臂轉動誤差的整定調節，啟用RT 端的PID 循環程序，采集、分析機械臂運行過程中的傾斜角度、位置等數據，經由PID 運算后生成維持機械臂抓取物體水平穩定的標準轉動角度參數，經由電流輸出模塊進行轉動控制信號的傳遞，實現負反饋補償控制功能。綜合考慮實際制造生產過程中使用的機械臂類型，引入自整定循環程序進行驅動增益等參數的循環整定，借此生成理想條件下的PID 控制調節參數，保證PID 程序有效發揮對機械臂動作的穩定控制作用。在實際應用場景下，可能涉及多種不同類型、規格的機械臂進行同步作業，利用PID 進行程序控制時僅需修改輸出信號，即可實現對不同驅動方式、不同動力源的PID 整定調節功能。

2.3.4 三維顯示模塊設計

通過在計算機顯控設備中輸入控制信號，使機械臂執行控制命令，在短時間內以旋轉、伸縮、移動等方式調節姿態與運行軌跡，但考慮到機械臂操作精度較高、部分細微動作難以被肉眼捕捉，因此需引入三維顯示功能進行機械臂運動細節的可視化呈現。在三維顯示模塊設計上，將CRIO 控制器傳遞的控制信號經由以太網傳遞至RT 端，經程序編碼轉譯后實現對機械臂實時姿態在屏幕端的可視化呈現，基于25F 的刷新速率實現對機械臂三維姿態數據的實時更新，可供操作人員顯控設備端直觀查看或回放機械臂的運動過程、捕捉實時姿態數據，以便后續進行程序參數調整及數據分析。

2.3.5 PC 端、CRIO 端軟件集成

由于該測控系統實行軟硬件的一體化設計，根據系統硬件設備的數據采集與控制需求進行軟件程序設計，并根據數據采樣頻率、不同類型數據的存儲文件大小、數據存儲速度等統計分析結果，最終確認基于LabVIEW 環境、調用SQL 數據庫進行TDMS 數據存儲，生成精細化數據檢索結果。軟件系統的運行流程為：運行PC.vi →調用RT.vi →調用FPGA 數據采集.vi →確認數據正確性→數據傳輸RT.vi →DMA FIFO 傳輸→數據整合、存儲→結束。

2.4 系統應用測試

2.4.1 測試環境搭建

選取某機械廠生產的機械臂進行安裝與測試，將機械臂安裝在實驗室的全自動液壓傳動綜合實驗臺上，分別對機械臂的控制響應速度、穩態誤差、軟件延遲等技術參數進行測評，調節實驗臺的振動、搖擺激勵參數，并采集機械臂的位姿等實時狀態參數，輔助完成機械臂使用性能評估。觀察計算機顯控界面可以發現，在實驗臺邊緣處共設有6 個支撐點，各支撐點處分別配置液壓油缸，用于提供X軸、Y軸兩個方向上的信號搖擺激勵，在測試過程中向液壓油缸輸出兩自由度的正弦或其他波形，即可模擬在大風或水上等極端工況下的機械臂運行工況，實現對機械臂操作過程中的誤差補償PID 控制及運行狀態實時監測。

2.4.2 測試結果分析

通過獲取機械臂在空載、加載兩種狀態下的小臂姿態控制曲線，可直觀查看預設小臂的輸入角度、實際姿態角度等參數，根據預設輸入角度判斷輸出理論值。從中可以看出，在空載狀態下小臂的PID 參數對于上升方向的角度響應水平低于下降方向的角度響應值，其超調量同樣小于下降狀態，由于機械臂自重高達7kg 以上，因此，在小臂移動過程中可能受慣性的干擾。基于上述分析結果，選擇下調PID 比例系數，實行PID 控制參數的重新整定，同時在小臂的執行機構上額外施加180kg 負載。重新觀察PID 控制模式下的角度響應情況，從中可觀察到小臂的PID 參數對于上升狀態下的角度響應水平同比空載狀態下呈現出大幅提升，且超調量顯著減少，經數據統計分析后獲得系統穩態誤差小于0.4°，由此可判斷小臂的運行控制精度滿足要求，可作為控制機械臂運行狀態的標準PID 參數，并將其寫入PLC 控制程序中，實現機械臂運行過程的自動化控制功能。

此外，通過分別對計算機PC 端與RT 端的軟件程序運行結果進行監測可知，軟件測試系統均保持安全可靠運行，經PID 整定后的系統穩態誤差小于0.4°，控制信號輸出、機械臂姿態數據采集的循環時長分別為0.3ms 和50ms，由此證明，該測控系統能夠有效滿足對機械臂的測控需求，具備良好的應用價值。

3.結語

通過結合機械作業領域對于機械臂的操作控制需求，引入CRIO 硬件裝置搭建機械臂測控系統的基本框架結構，根據硬件配置情況應用LabVIEW 進行軟件應用程序的開發，基于FPGA 技術實現軟硬件系統的一體化設計，實現對不同監控方案、測試需求的靈活部署，并支持與機械臂整體結構及其不同部位進行穩步對接，完成姿態、位置等性能參數的評估。最終測試結果表明，該測控系統能夠有效滿足機械臂的性能測試與狀態監測需求，實現對運動角度、運行軌跡等姿態數據的實時采集與分析處理，且測控系統結構簡單、拆裝便捷，未來引入小型化、輕量化設計方案即可有效實現在不同工況場景下的靈活部署，為機械設備改造及更新提供良好的示范經驗。