在過去的幾十年里，工業(yè)機器人技術(shù)經(jīng)歷了飛速的發(fā)展。自二十世紀80年代以來，它們已經(jīng)從只能以有限精度沿著預(yù)訂軌跡運動的抓放式機器人，發(fā)展成具有高精度、可以在手術(shù)室中應(yīng)用，并且靈活適應(yīng)環(huán)境，同時可經(jīng)常與視覺系統(tǒng)及生產(chǎn)單元中的其它機器人進行交互的系統(tǒng)。這就是我們在大學(xué)的倉庫中發(fā)現(xiàn)20歲的三菱Movemaster機器人時，第一反應(yīng)是決定把它送給博物館的原因。但是，一個教師決定把它交給我 —— 當(dāng)時我還只是一名帝國理工學(xué)院的本科生，來使機器人“復(fù)活”。
項目目標
早先的時候，三菱Movemaster機器人配有一個手持式教學(xué)盒、一個微波爐大小的驅(qū)動單元和一個可通過串行接口將所有機器關(guān)節(jié)所需的角位置傳輸?shù)津?qū)動單元的可選計算機。但是現(xiàn)在所有外設(shè)都丟失了，所以我們需要修復(fù)機器人底座上的36根未定義管腳，使其恢復(fù)原有的功能。我們需要替換以前用于從PC機的可視化用戶界面來控制機器人的過時的編程語言。考慮到需要保留可能作為教學(xué)輔助的應(yīng)用，我們需要創(chuàng)建出一種可以允許學(xué)生在未來進行便捷擴展的系統(tǒng)（特別是不同的控制算法）。
設(shè)計選項
在我們試圖對機器人進行逆向工程后，我們需要通過兩個主要步驟確定系統(tǒng)的總體布局。首先，我們需要開發(fā)I/O解決方案驅(qū)動機器人的5個直流電機，并同時讀取編碼器信號。第二，我們需要將信息傳輸?shù)綐藴蔖C機上并將其在圖形界面上顯示出來。
系統(tǒng)所需的通道數(shù)(15路脈寬調(diào)制[PWM]數(shù)字輸出和10路數(shù)字輸入)和采樣速率(PWM為1kHz而輸入采樣速率為100kHz)都沒有超出標準微控制器電路板的個性化解決方案的范疇。但是，編程環(huán)境的多樣性和開發(fā)這樣系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，超出了本科生項目的時限和范圍。由于美國國家儀器公司的產(chǎn)品，可以提供從數(shù)據(jù)采集到高級圖形用戶界面開發(fā)等全部所需的功能，顯而易見可以作為我們的選擇之一。
我們選擇了CompactRIO可編程自動控制器，利用它來實時采集和處理所需數(shù)量的信號。雖然產(chǎn)品的花費超出了典型本科生項目的預(yù)算，但考慮到CompactRIO的全面性和易用性，我們還是選擇了它。我們可以在5分鐘內(nèi)設(shè)定好CompactRIO控制器(包括接線和所有軟件的部署)，而且可以在其他項目中共用這一個控制器。
信號I/O
CompactRIO控制器的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)背板，能夠以完全并行化的方式讀取、輸出和處理I/O模塊通道。利用數(shù)量充足的可編程門電路，我們能夠以1kHz的頻率輸出5個獨立的PWM信號，輸出10個數(shù)字信號到外部的馬達驅(qū)動芯片，同時以100kHz頻率對10條編碼通道進行采樣。在FPGA上，我們將每個機器人關(guān)節(jié)上的兩個編碼器上獲得的信號，顯示成整數(shù)以表示相對的關(guān)節(jié)角度。使用NI網(wǎng)站上提供的VI幫助我們進一步縮短了FPGA上VI的開發(fā)時間。兩個高速切換的數(shù)字輸出和數(shù)字輸入模塊為我們的應(yīng)用提供了充足的通道數(shù)。
圖形化用戶界面
上述硬件接口的功能一定程度上受到FPGA技術(shù)能力的限制，但是系統(tǒng)的用戶界面在Windows PC上運行，可以充分利用LabVIEW 8.5的特性。使用基于事件的界面，用戶可以通過輸入位置向量或上下、左右和前后增量式移動機器人，來設(shè)定機器人終端效應(yīng)器的笛卡爾坐標位置和方向。然后進行坐標變換，計算出每個機器人關(guān)節(jié)所需的關(guān)節(jié)角。這些數(shù)據(jù)會反饋給控制器子VI，從所需和實際的關(guān)節(jié)角中計算出電機命令信號。
為了允許學(xué)生們在將來實現(xiàn)不同的控制算法，只要模板定義的前面板元件存在，控制器子VI在每次運行時都加載并可以包含任意的邏輯。這非常有用，因為學(xué)生們可能不能使用LabVIEW環(huán)境下的所有功能，而只能使用缺少LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time Module的學(xué)生版本。雖然學(xué)生版軟件不能打開全部的機器人軟件，但學(xué)生們?nèi)匀豢梢允褂盟_發(fā)機器人控制器，并在機器人上進行測試。
我們的“老”機器人的可靠性是整個項目中的一個問題，我們需要一個機器人仿真以便我們在機器人維修時繼續(xù)工作。使用LabVIEW 3D圖像控制，我們創(chuàng)建了機器人的示意原理圖。使用圖形化用戶界面，用戶可以得知軟件是否精確表示了當(dāng)前機器人的位置。當(dāng)可視化與現(xiàn)實不符合時，用戶可將機器人送到啟動原點，并按下按鈕重新啟動軟件。
結(jié)論
使用CompactRIO和LabVIEW，我們可以在同一個編程環(huán)境中，從零開始構(gòu)建完整的機器人驅(qū)動和控制系統(tǒng)。借助于CompactRIO控制器的易用性，使用高科技的FPGA技術(shù)來喚醒我們的“古董”機器人簡直輕而易舉。作為本科生的我，利用不到九個月的兼職項目工作，就開發(fā)出了包括軟件和硬件的整個系統(tǒng)。
致謝
我在醫(yī)藥機電一體化實驗室中完成了這個項目，指導(dǎo)者是Ferdinando Rodriguez y Baena博士。該項目是在Christopher Burton已有工作的基礎(chǔ)上進行的。