利用LabVIEW和SolidWorks改進(jìn)機(jī)械臂設(shè)計流程

挑戰(zhàn):

在求解六軸機(jī)器人手臂的逆運(yùn)動學(xué)方程后，無需裝配物理測試平臺，利用開發(fā)測試方程和NI LabVIEW VI的平臺，即可仿真測試運(yùn)動性能并優(yōu)化設(shè)計方法。

解決方案:

使用LabVIEW NI SoftMotion模塊設(shè)計VI可以運(yùn)行裝配文件并在CAD模型中進(jìn)行仿真，在SolidWorks創(chuàng)建三維模型構(gòu)建六自由度（DOF）系統(tǒng)的虛擬物理表現(xiàn)，然后使用NI cRIO-9024嵌入式實(shí)時控制器和六個NI 9512模塊開發(fā)實(shí)際裝配系統(tǒng)。

SolidWorks裝配圖CARMA機(jī)械臂

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201612/334178.htmSquare One是關(guān)注滿足更多用戶技術(shù)需求的機(jī)器人和自動化公司。我們利用多種技術(shù)，通過提供高精度的高級運(yùn)動學(xué)定位系統(tǒng)，滿足物理科學(xué)研究員和軍事應(yīng)用工程師的需求。將商業(yè)機(jī)器人和我們正在申請專利的三球機(jī)械臂集成到全新和現(xiàn)有的工作單元中，通過提高現(xiàn)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的效率和精度，幫助改進(jìn)性能。

專業(yè)項(xiàng)目

三球機(jī)械臂允許目標(biāo)位置在六個自由度內(nèi)精確調(diào)節(jié)。三球機(jī)械臂的基本構(gòu)造單元是“插槽”機(jī)制，它可以在垂直和水平方向調(diào)整，且可以在其他水平方向滑動。通過將這些插槽布置為三角架的形狀，就可以創(chuàng)建純運(yùn)動學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。Square One設(shè)計了基于三球的機(jī)械臂，讓檢測傳感器、夾具和操作員觸覺反饋的精確定位成為可能，這提高了目前無人駕駛地面車輛（UGV）的可用性。三球機(jī)械臂提高了工作封套和UGV檢測硬件的精度，因此讓它能夠挖掘和移動殘骸、檢查車輛車盤和完成大部分現(xiàn)在使用的機(jī)器人所無法完成的其他任務(wù)。這就是約束區(qū)域機(jī)器人手臂（CARMA）開發(fā)。

CARMA機(jī)械臂成品

將這個項(xiàng)目作為提高設(shè)計流程效率并大幅擴(kuò)展運(yùn)動控制能力的機(jī)會，我們使用了NI原型開發(fā)設(shè)計工具。之前，我們的方法是完全在SolidWorks中設(shè)計定位系統(tǒng)，創(chuàng)建裝配用的總成裝配圖。在完成裝配之后，我們基于PC/104設(shè)計控制部分，在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計中滿足每個獨(dú)立項(xiàng)目所需的運(yùn)動控制規(guī)范。將軟件開發(fā)步驟移到整個設(shè)計流程中更高位置讓機(jī)械設(shè)計包含控制硬件所需的傳感器和必要空間。通過結(jié)合軟件和機(jī)械設(shè)計，我們減少了開發(fā)提供過程中的迭代次數(shù)和修改次數(shù)。

我們的第一步是確定全新的控制方案。通過改變幾何參數(shù)讓我們的軟件更為模塊化，我們開發(fā)了運(yùn)動控制方程的“邏輯”集合。能夠在任何給定的軸之間協(xié)調(diào)運(yùn)動，從而大大擴(kuò)展了三球的功能。另外，測試平臺對于驗(yàn)證方程功能而言是十分重要的。在認(rèn)識到僅僅為了測試而生成多個不同配置并不現(xiàn)實(shí)之后，我們轉(zhuǎn)而使用仿真軟件作為新技術(shù)的測試平臺。

在研究了現(xiàn)有軟件工具后，我們將選項(xiàng)縮小為The MathWorks, Inc. MATLAB with Simulink®軟件和用于SolidWorks的LabVIEW NI SoftMotion模塊。我們在SolidWorks中完成了最初設(shè)計，使用MATLAB求解方程。到這里為止，我們只使用LabVIEW開發(fā)用戶界面。使用Linux可編程機(jī)器配置所有電機(jī)指令和控制；同時，我們再積極地搜索能夠?qū)⒖刂企w系結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的用戶友好的編程軟件。

我們探索了所有可用工具，選擇了采用LabVIEW進(jìn)行控制編程。在參加了2009年的NIWeek全球圖形化系統(tǒng)設(shè)計會議后，我們了解許多全新的NI工具包和模塊，它們可以滿足我們的系統(tǒng)開發(fā)需求。LabVIEW能夠讀取運(yùn)動軌跡的MATLAB代碼，LabVIEW NI SoftMotion模塊包含了電機(jī)控制和通過NI C系列驅(qū)動接口模塊用于連接所需的傳感器。LabVIEW VI與SolidWorks匯編文件之間的通信是整個項(xiàng)目中關(guān)鍵之處。因此，我們決定為三球機(jī)械臂和所有自動化系統(tǒng)開發(fā)，使用NI軟件和硬件作為設(shè)計解決方案。最后，我們決定使用LabVIEW函數(shù)組合求解之前在MATLAB完成的高階數(shù)學(xué)問題。

仿真

正如我們開發(fā)LabVIEW VI運(yùn)行“邏輯”三球的運(yùn)動方程求解一樣，我們在SolidWorks軟件中并行地完成機(jī)械設(shè)計。在完成VI和固體模型匯編模塊之后，我們開始了集成流程。使用LabVIEW工程包含運(yùn)動控制VI，將SolidWorks匯編文件加入工程中。開始仿真流程、識別模型中的軸并通過VI訪問。通過幾天的培訓(xùn)，我們理解了DS SolidWorks和LabVIEW之間的連接，開始實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真并創(chuàng)建了一個虛擬原型系統(tǒng)。

邏輯三球解決方案

我們運(yùn)行用戶界面，測試運(yùn)動控制VI以驗(yàn)證其功能。我們發(fā)現(xiàn)不少軸在VI中被錯誤識別，但修正這些錯誤十分容易。此外，不少高級運(yùn)動控制算法工作不正常，其原因是在代碼中遺漏或是使用不正確的符號（±）。如果沒有仿真，我們不可能在開發(fā)階段的早期發(fā)現(xiàn)這些錯誤。由于錯誤在仿真中發(fā)現(xiàn)，而不是在運(yùn)行物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，就避免了這些錯誤的嚴(yán)重后果。

CARMA解決方案

下一步是將仿真為CARMA項(xiàng)目的專用尺寸和運(yùn)動需求進(jìn)行定制。我們完成并適當(dāng)擴(kuò)展了SolidWorks模型。在LabVIEW工程中，工程結(jié)構(gòu)讓我們可以打開全新文本文件詳細(xì)描述CARMA機(jī)械臂的尺寸以及運(yùn)動的范圍極限。實(shí)際上，我們復(fù)制了現(xiàn)有的“邏輯”三球工程，重命名為CARMA，并將CARMA文本文本作為默認(rèn)文件，在每次運(yùn)行用戶界面時都會打開。成功的仿真幫我們的設(shè)計團(tuán)隊(duì)將機(jī)械臂運(yùn)動范圍實(shí)現(xiàn)完全可視化，更重要的是，我們能夠在SolidWorks模型中沿著所有旋轉(zhuǎn)軸測量角度。

結(jié)果

仿真過程讓我們能夠測試運(yùn)動的極限條件，在裝配之前確定關(guān)鍵組件的尺寸。通過仿真創(chuàng)建并測試LabVIEW VI，讓過渡到為實(shí)際CARMA匯編模塊編寫控制變得容易。我們需要其他VI支持復(fù)雜的運(yùn)動控制、機(jī)器視覺和自治系統(tǒng)特性，但是基本控制已經(jīng)存在。在裝配組件之后，我們無需修改運(yùn)行仿真的軟件，就可以操作最終實(shí)現(xiàn)的機(jī)械臂，這在Square One的歷史上是第一次。在早期和SolidWorks匯編模塊一起實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制軟件，大大提高了設(shè)計流程的效率，我們還實(shí)現(xiàn)了在軟件開發(fā)設(shè)計中包含機(jī)械團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。