采用AMP Lucene令“20岁”的机器人恢复正常生机

2023-07-12 09:07:56

　　采用NI LabVIEW令“20岁”的机器人恢复正常生机

　　先进制造 ◇ 系列技术讲座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中国机器人行业众所周知研讨会

　　引言：

　　在过去的数十年里，工业机器人技术历经了飞速的产业发展。自十九世纪80年代以来，它们已经从根本无法以有限精度沿著预约抛物线体育运动的抓放式机器人，产业发展成具有高精度、能在病房中应用领域，并且灵巧摄食，与此同时可时常与听觉控制系统及生产模块中的其他机器人展开建模的控制系统。

　　Author(s):Jonas Neubert - Imperial College London

　　Industry:Research

　　Products:

CompactRIO, FPGA Module, Real-Time Module

　　The Challenge:

　　为已经遗失驱动力器的20岁工业机器人代替新的驱动力器，并对其展开扩充，使之具有现代机器人控制软件中的众所周知机能。建立可透过直观GUI界面(GUI)操作的、适于研究生实验课程的控制系统。

　　The Solution:

　　采用NI CompactRIO驱动力器做为机器人驱动力器和编解码器与LabVIEW 8.5软件、比例-积分-微分(PID)widget、3D图像渲染和VI服务器间的接口，实现机器人体育运动软件，并能透过GUI展开访问。

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CompactRIO-9014动态驱动力器

　　"采用CompactRIO和LabVIEW，他们能在单个程式设计环境中，从头开始构建完整的机器人驱动力和控制控制系统。"

　　在过去的数十年里，工业机器人技术历经了飞速的产业发展。自十九世纪80年代以来，它们已经从根本无法以有限精度沿著预约抛物线体育运动的抓放式机器人，产业发展成具有高精度、能在病房中应用领域，并且灵巧摄食，与此同时可时常与听觉控制系统及生产模块中的其他机器人展开建模的控制系统。这就是他们在大学的仓库中发现20岁的飞雅特Movemaster机器人时，第一反应是决定把它送给博物馆的原因。但是，两个教师决定把它交给我 —— 当时我还只是一名帝国理工学院的研究生，来使机器人“复活”。

　　工程项目目标

早先的时候，飞雅特Movemaster机器人配有两个便携式课堂教学盒、两个微波炉大小的驱动力模块和两个可透过XAUI将所有机器下肢所需的角位置数据传输到驱动力模块的可选计算机。但是现在所有外设都遗失了，所以他们须要修复机器人底座上的36根enum脚位，使其恢复正常原有的机能。他们须要代替以前用于从PC机的建模界面来控制机器人的过时的程式设计语言。考虑到须要保留可能做为课堂教学辅助的应用领域，他们须要建立出一种能允许学生在未来展开便捷扩充的控制系统（特别是不同的Bilaspur）。

　　设计选项

在他们试图对机器人展开逆向工程后，他们须要透过两个主要步骤确定控制系统的总体布局。首先，他们须要开发I/O化解方案驱动力机器人的5个直流电机，并与此同时加载编解码器讯号。第二，他们须要将信息数据传输到标准PC机上并将其在GUI上显示出来。

　　控制系统所需的地下通道数(15路目大吻[PWM]位数输出和10路位数输出)和采样速率(PWM为1kHz而输出采样速率为100kHz)都没有超出标准微驱动力器电子元件的个性化化解方案的范畴。但是，程式设计环境的多样性和开发这样控制系统所面临的挑战，超出了研究生工程项目的时限和范围。由于美国国家仪器公司的产品，能提供从数据采集到高级图形界面开发等全部所需的机能，显而易见能做为他们的优先选择之一。

他们优先选择了CompactRIO电子电路自动驱动力器，利用它来动态采集和处置所需数量的讯号。虽然产品的花费超出了众所周知研究生工程项目的预算，但考虑到CompactRIO的全面性和可用性，他们还是优先选择了它。他们能在5分钟内设定好CompactRIO驱动力器(包括连接线和所有软件的部署)，而且能在其他工程项目中共用这两个驱动力器。

　　讯号I/O

CompactRIO驱动力器的现场电子电路可编程(FPGA)背板，能够以完全并行化的方式加载、输出和处置I/O模块地下通道。利用数量充足的电子电路反相器，他们能够以1kHz的振幅输出5个独立的PWM讯号，输出10个位数讯号到外部的马达驱动力芯片，与此同时以100kHz振幅对10条编码地下通道展开采样。在FPGA上，他们将每个机器人下肢上的两个编解码器上获得的讯号，显示成整数以表示相对的下肢角度。采用NI网站上提供的VI帮助他们进一步缩短了FPGA上VI的开发时间。两个高速切换的位数输出和位数输出模块为他们的应用领域提供了充足的地下通道数。

　　GUI界面

　　上述硬件接口的机能一定程度上受到FPGA技术能力的限制，但是控制系统的界面在Windows PC上运行，能充分利用LabVIEW 8.5的特性。采用基于事件的界面，用户能透过输出位置向量或上下、左右和前后增量式移动机器人，来设定机器人终端效应器的笛卡尔坐标位置和方向。然后展开坐标变换，计算出每个机器人下肢所需的下肢角。这些数据会反馈给驱动力器子VI，从所需和实际的下肢角中计算出电机命令讯号。

为了允许学生们在将来实现不同的Bilaspur，只要模板定义的前面板元件存在，驱动力器子VI在每次运行时都加载并能包含任意的逻辑。这非常有用，因为学生们可能不能采用LabVIEW环境下的所有机能，而根本无法采用缺少LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time Module的学生版本。虽然学生版软件不能打开全部的机器人软件，但学生们仍然能采用它开发机器人驱动力器，并在机器人上展开测试。

　　他们的“老”机器人的可靠性是整个工程项目中的两个问题，他们须要两个机器人仿真以便他们在机器人维修时继续工作。采用LabVIEW 3D图像控制，他们建立了机器人的示意原理图。采用GUI界面，用户能得知软件是否精确表示了当前机器人的位置。当建模与现实不符合时，用户可将机器人送到启动原点，并按下按钮重新启动软件。

　　结论

采用CompactRIO和LabVIEW，他们能在同两个程式设计环境中，从头开始构建完整的机器人驱动力和控制控制系统。借助于CompactRIO驱动力器的可用性，采用高科技的FPGA技术来唤醒他们的“古董”机器人简直轻而易举。做为研究生的我，利用不到九个月的兼职工程项目工作，就开发出了包括软件和硬件的整个控制系统。

　　致谢

　　我在医药机电一体化实验室中完成了这个工程项目，指导者是Ferdinando Rodriguez y Baena博士。该工程项目是在Christopher Burton已有工作的基础上展开的。

　　Author Information:

　　Jonas Neubert

　　Imperial College London

South Kensington Campus

　　London SW7 2AZ

　　( 文章来源：互联网 )

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