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    SolidWorks裝配圖CARMA機(jī)械臂

    作者:Lisa Mosier - Square One Systems Design Inc.
    行業(yè):Manufacturing
    產(chǎn)品:CompactRIO, NI SoftMotion開(kāi)發(fā)模塊, NI 9512, LabVIEW
    挑戰(zhàn):在求解六軸機(jī)器人手臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程后，無(wú)需裝配物理測(cè)試平臺(tái)，利用開(kāi)發(fā)測(cè)試方程和NI LabVIEW VI的平臺(tái)，即可仿真測(cè)試運(yùn)動(dòng)性能并優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 

    解決方案:使用LabVIEW NI SoftMotion模塊設(shè)計(jì)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(shí)控制器和六個(gè)NI 9512模塊開(kāi)發(fā)實(shí)際裝配系統(tǒng)。

    "我們探索了所有選項(xiàng)，選擇采用LabVIEW作為我們的控制編程工具。在參加了2009年的NIWeek全球圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)議后，我們了解許多全新的NI工具包和模塊，它們可能是滿(mǎn)足我們系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求的良好解決方案。"

    Square One是關(guān)注滿(mǎn)足更多用戶(hù)技術(shù)需求的機(jī)器人和自動(dòng)化公司。我們利用多種技術(shù)，通過(guò)提供高精度的高級(jí)運(yùn)動(dòng)學(xué)定位系統(tǒng)，滿(mǎn)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(qǐng)專(zhuān)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(guò)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(zhuān)業(yè)項(xiàng)目

    三球機(jī)械臂允許目標(biāo)位置在六個(gè)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(dòng)。通過(guò)將這些插槽布置為三角架的形狀，就可以創(chuàng)建純運(yùn)動(dòng)學(xué)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。Square One設(shè)計(jì)了基于三球的機(jī)械臂，讓檢測(cè)傳感器、夾具和操作員觸覺(jué)反饋的精確定位成為可能，這提高了目前無(wú)人駕駛地面車(chē)輛（UGV）的可用性。三球機(jī)械臂提高了工作封套和UGV檢測(cè)硬件的精度，因此讓它能夠挖掘和移動(dòng)殘骸、檢查車(chē)輛車(chē)盤(pán)和完成大部分現(xiàn)在使用的機(jī)器人所無(wú)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(kāi)發(fā)。

    將這個(gè)項(xiàng)目作為提高設(shè)計(jì)流程效率并大幅擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)控制能力的機(jī)會(huì)，我們使用了NI原型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工具。之前，我們的方法是完全在SolidWorks中設(shè)計(jì)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(jì)控制部分，在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)中滿(mǎn)足每個(gè)獨(dú)立項(xiàng)目所需的運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范。將軟件開(kāi)發(fā)步驟移到整個(gè)設(shè)計(jì)流程中更高位置讓機(jī)械設(shè)計(jì)包含控制硬件所需的傳感器和必要空間。通過(guò)結(jié)合軟件和機(jī)械設(shè)計(jì)，我們減少了開(kāi)發(fā)提供過(guò)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(guò)改變幾何參數(shù)讓我們的軟件更為模塊化，我們開(kāi)發(fā)了運(yùn)動(dòng)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(dòng)，從而大大擴(kuò)展了三球的功能。另外，測(cè)試平臺(tái)對(duì)于驗(yàn)證方程功能而言是十分重要的。在認(rèn)識(shí)到僅僅為了測(cè)試而生成多個(gè)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(cè)試平臺(tái)。

    在研究了現(xiàn)有軟件工具后，我們將選項(xiàng)縮小為T(mén)he MathWorks, Inc. MATLAB® with Simulink®軟件和用于SolidWorks的LabVIEW NI SoftMotion模塊。我們?cè)赟olidWorks中完成了最初設(shè)計(jì)，使用MATLAB求解方程。到這里為止，我們只使用LabVIEW開(kāi)發(fā)用戶(hù)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(shí)，我們?cè)俜e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(hù)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(jì)會(huì)議后，我們了解許多全新的NI工具包和模塊，它們可以滿(mǎn)足我們的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求。LabVIEW能夠讀取運(yùn)動(dòng)軌跡的MATLAB代碼，LabVIEW NI SoftMotion模塊包含了電機(jī)控制和通過(guò)NI C系列驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使用NI軟件和硬件作為設(shè)計(jì)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(wèn)題。

    仿真

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

    邏輯三球解決方案

    我們運(yùn)行用戶(hù)界面，測(cè)試運(yùn)動(dòng)控制VI以驗(yàn)證其功能。我們發(fā)現(xiàn)不少軸在VI中被錯(cuò)誤識(shí)別，但修正這些錯(cuò)誤十分容易。此外，不少高級(jí)運(yùn)動(dòng)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(hào)（±）。如果沒(méi)有仿真，我們不可能在開(kāi)發(fā)階段的早期發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤。由于錯(cuò)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(cuò)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(zhuān)用尺寸和運(yùn)動(dòng)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(kāi)全新文本文件詳細(xì)描述CARMA機(jī)械臂的尺寸以及運(yùn)動(dòng)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(hù)界面時(shí)都會(huì)打開(kāi)。成功的仿真幫我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)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(cè)量角度。

    結(jié)果

    仿真過(guò)程讓我們能夠測(cè)試運(yùn)動(dòng)的極限條件，在裝配之前確定關(guān)鍵組件的尺寸。通過(guò)仿真創(chuàng)建并測(cè)試LabVIEW VI，讓過(guò)渡到為實(shí)際CARMA匯編模塊編寫(xiě)控制變得容易。我們需要其他VI支持復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺(jué)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(wú)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(dòng)控制軟件，大大提高了設(shè)計(jì)流程的效率，我們還實(shí)現(xiàn)了在軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中包含機(jī)械團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。