摘要：NI虚拟仪器具有强大的控制能力，代表着仪器发展的最新方向和潮流。在利用虚拟仪器对五自由度多关节串行机器人手臂运动进行控制的方案中，可通过总线选型、运动控制器和运动控制卡接口的设计配置，并利用Labview强大编程环境进行控制软件编制，大大简化了机器人手臂控制系统的开发过程。该方案周期短、可靠性好，可二次开发，为实现更为复杂的运动控制提供了基础平台。

　　关键词：运动控制;多自由度机器人;虚拟仪器

　　随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,机器人被要求具有更高的运动灵活性和对环境的适应性[1]。多自由度机器人手臂能够部分地模仿人类上肢的活动，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。因而多自由度机器人手臂的运动与动作控制是机器人研究领域中一个重要方向。

　　目前国内机器人手臂控制方案主要有单片机、嵌入式或PC机。近年来，虚拟仪器迅速发展，它代表着仪器发展的最新方向和潮流，具有开放的工业标准，扩展了仪器的概念，突出了“软件即仪器”的特色。本项目来源于本硕共享的研究生创新平台项目，采用虚拟仪器对多自由度机器人手臂进行控制，通过虚拟仪器的友好界面，借助运动控制模块和运动控制卡接口，对多个自由度的机器人手臂进行控制。设计方案具有开放性和可编程性，为后续研究开发奠定基础。

　　1、多自由度机器人手臂控制系统总体构架

　　1.1、机器人手臂的结构特性

　　1-手指;2-手指驱动电机;3-手轮;4-手腕Ⅰ驱动电机;5-螺母;6-第一手臂;7-丝杆;8-手腕Ⅱ驱动电机;

　　9-第二手臂;10-第一手臂驱动电机;11-身体;

　　12-第二手臂驱动电机;13-身体驱动电机;14-底座。

　　图1 机器人手臂结构

　　1-手腕;2-第一手臂;3-第二关节;4-旋转轴;5-第二手臂; 6-手指; 7-第一关节;

　　8-第三关节; 9-手腕Ⅱ驱动电机;10-旋转台。

　　图2 机器人手臂参数示意图

　　项目研究对象JQR-Ⅱ型机器人为具有五自由度(不包含指关节夹取动作)6个动作的多关节型串联机器人，手臂结构如图1所示。机器人手臂的一些重要参数关系到其应用领域与动作效果，包括手腕相对轴线的旋转角δ、相对第一手臂的弯曲角γ、第一手臂沿第二手臂的摆动角β、第二手臂相对基座的摆动角α、相对于基座旋转角θ，手臂参数以及手指张开角λ等，如图2所示。1.2、基于虚拟仪器的机器人手臂控制系统总体构架

　　图3 基于虚拟仪器的机器人手臂控制系统总体构架

　　图3所示为基于虚拟仪器的机器人手臂控制系统的总体构架，在虚拟仪器的硬件平台上，借助可视化编程环境、运动控制助手，利用运动控制器发送相关指令，驱动机器人手臂各关节电机，对各关节运动进行单独或联合控制。2、虚拟仪器控制系统的硬件设计

　　系统硬件设计包括虚拟仪器总线选型、运动控制器和运动控制卡接口的设计和配置等。

　　2.1、虚拟仪器的总线选型

　　总线技术在虚拟仪器的技术发展过程中起着十分重要的作用，总线的能力直接影响着系统的总体性能。因此，选择合适的总线形式对开发控制系统十分重要。目前虚拟仪器通常有以下几种总线形式可供选择：基于数据采集卡方式、基于GPIB总线方式、基于VXI总线方式、基于PXI总线方式、基于LXI总线方式等，各类总线形式在不同的控制要求下得到的性价比不同。本方案采用PXI(PCI eXtensions for Instrumentation，面向仪器系统的PCI扩展)总线的PXI-1045虚拟仪器机箱。该总线是一种新的开放性，模块化仪器总线规范， 结合了其他总线形式的某些优势，定义了多厂商产品互操作性的仪器级接口标准，在电气要求的基础上增加了相应的软件要求，以进一步简化系统软件集成，形成PXI的系统级接口标准，而且由于受惠于PC市场，价格更低，使之成为高性能、低成本的测量和自动化系统运载平台[2]。借助MAX (Measurement & Automation Explorer)，通过编程方式对机箱背板上的触发路由模块进行配置，可以轻松地实现触发器在设备之间的路由。

　　2.2、运动控制器与运动控制卡的设计和配置

　　运动控制器以实现预定运动轨迹为目标，对执行机构进行控制。传统的封闭式机器人控制虽然简单，但只适用于固定的作业任务和作业对象，无法适应产品多样化的要求，而“运动控制器+电机”的开放式结构则能提高机器人手臂的应用范围，扩大其应用领域，同时能降低成本[3]。灵活性强、功能强大的运动控制器及接口能够为开放式机器人手臂运动控制提供基础平台，实现对多个关节的电机进行单独或联动控制。目前比较流行的有基于DSP和FPGA的运动控制器[4]，本系统采用NI PXI-7350，它具有CPU和DSP双处理器结构，包括8通道、16位精度的模拟输入和64位数字I/O，可实现8轴的伺服或步进电机运动控制。使用PXI-7350运动控制器之前，需安装驱动程序并升级相应固件，通过MAX进行配置，其子目录包含了Axis，Interactive和Calibration，分别用于对每个轴的设置，交互以及测量，可根据需要配置运动控制参数。

　　图4 UMI-7764模块的I/O终端

　　\s 运动控制卡接口是用来连接运动控制卡与I/O终端模块、实现多轴同时或独立运动的接口模块。本设计选用UMI-7764，它拥有把差分编码器信号转换成单端信号的电路，有4个独立的运动I/O终端模块，每个模块又分为4个部分：放大器/驱动器连接，编码器连接，分布式电源连接以及限位开关连接，如图4所示。在了解UMI-7764每个端子的功能及使用方法的前提下，根据多自由度机器人控制器的接口定义，便可在两者间建立连接。UMI-7764接口资源丰富，可方便地实现对多自由度机器人手臂关节处的电机的独立或联动控制。3、控制系统软件设计

　　图5 基于运动控制助手的运动控制软件开发

　　基于虚拟仪器的多自由度机器人手臂控制实质是通过软件进行参数设置，再操作运动控制器来实现对机器人手臂上的多个步进电机的控制。本项目软件设计的目标是构建一个可供研究和二次开发的控制平台，可通过Labview平台提供的强大运动控制助手编制运动控制软件，开发流程如图5所示。针对运动控制对象，首先利用运动控制助手在矢量空间坐标系中规划一维、二维或三维的运动轨迹，包括起点、终点、速度和加速度等参数，称为建立原型。但要注意矢量空间坐标系中的坐标点未必就是机器人手臂关节所在实际空间的运动位置坐标点;矢量空间的轨迹，也未必就是机器人手臂关节在实际空间中的运动轨迹。矢量空间坐标系中“二维”或“三维”的概念，是指对两个或三个电机进行控制。矢量空间中的轨迹反映的是促使一个或多个运动对象运动的多个电机各自产生的运动效果间的函数关系。当且仅当每个电机针对同一对象产生运动效果彼此正交时，矢量空间坐标系所规划出的空间坐标才可能与实际空间坐标吻合。大多数情况下，机器人手臂的各个驱动电机之间彼此不相关，所以在设计过程中，可将六个电机分别归为六个矢量空间进行控制，每个矢量空间独立地规划机器人手臂每个关节的运动，六个电机的运动控制可以拆分成六个一维运动控制的组合;也可划分为三个矢量空间，每个矢量空间规划机器人手臂中每两个关节为一组的运动控制;也可划分为两个矢量空间，每个矢量空间规划机器人手臂中每三个关节为一组的运动控制。图6、图7分别为利用运动控制助手建立直线和球形弧运动模型的模拟图。

　　图7 基于运动控制助手的三轴球形弧运动模型建立

　　图6 基于运动控制助手的单轴直线轨迹运动模型建立

　　图8 基于Labview的单轴运动控制可视化程序

　　LabVIEW软件平台包含了丰富的运动控制函数，运动控制程序设计的关键，就是利用这些运动控制函数来实现对运动控制器的操作，进而完成对多自由度机器人手臂上的电机的控制。运动控制助手自动生成的运动方案原型代码也包含了这些函数。在Labview编程环境下，这些函数以图标形式出现，设置了针对一维、二维或三维等不同运动控制模型的按钮，用户在确定模型四个的基础上，通过可视化编程方式进行程序编制，包括选择运动控制轴，完成运动参数配置。本系统控制中，采用单轴控制的方法，即对6个电机单独控制，这样可以得到最大的适用范围。图8为用LabviewLabview可视化编程方法编制的单轴运动控制程序。Labview软件系统不需要用户单独绘制面板，而是提供了一个转换命令，自动将上图的图形化控制程序转换到控制面板状态，只需对面板外观进行优化就可在面板上对各个电机参数进行配置，图9为具有6个动作的五自由度机器人手臂运动控制前面板。

　　图9 五自由度机器人手臂运动控制前面板

　　4、结论NI虚拟仪器具有强大的控制功能，使得控制系统设计变得简单易行、开发周期大大缩短，而且系统具有很好的开放性，在本设计提供的平台和控制例程基础上，可以开发出更为复杂的运动控制程序，甚至可以改变控制对象的电机驱动方案。

　　参考文献

　　1. 王丽慧、周华，仿生机器人的研究现状及其发展方向[J]，上海师范大学学报(自然科学版),2007,36(6):58-62;

　　2. 叶关山，PXI总线平台的比较研究[J]，科学技术与工程，2008,8(16):4509-4512;

　　3. 朱春光，开放式运动控制技术研究与应用[D]:[硕士学位论文]，长沙:国防科学技术大学，2002;

　　4. 何国军、陈维荣、刘小强、孙丛君，基于DSP与FPGA的运动控制器