［摘要］：使用NI CompactRIO控製器作為機器人驅動器和編碼器與LabVIEW 8.5軟件、 比例-積分-微分(PID)工具箱、3D圖像渲染和VI服務器間的接口，實現機器人運動軟件，並可以通過圖形界麵進行訪問。

［關鍵詞］：NI LabVIEW 機器人 CompactRIO

     在過去的幾十年裏
，工業機器人技術經曆了飛速的發展。自二十世紀80年代以來，它們已經從隻能以有限精度沿著預訂軌跡運動的抓放式機器人，發展成具有高精度
、可ke以yi在zai手shou術shu室shi中zhong應ying用yong，並bing且qie靈ling活huo適shi應ying環huan境jing
，同tong時shi可ke經jing常chang與yu視shi覺jiao係xi統tong及ji生sheng產chan單dan元yuan中zhong的de其qi它ta機ji器qi人ren進jin行xing交jiao互hu的de係xi統tong。這zhe就jiu是shi我wo們men在zai大da學xue的de倉cang庫ku中zhong發fa現xian20歲的三菱Movemaster機器人時


，第一反應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 ―― 當時我還隻是一名帝國理工學院的本科生，來使機器人“複活”。

項目目標

     早先的時候，三菱Movemaster機器人配有一個手持式教學盒
、yigeweiboludaxiaodequdongdanyuanheyigeketongguochuanxingjiekoujiangsuoyoujiqiguanjiesuoxudejiaoweizhichuanshudaoqudongdanyuandekexuanjisuanji。danshixianzaisuoyouwaishedoudiushile，suoyiwomenxuyaoxiufujiqirendizuoshangde36根未定義管腳，使其恢複原有的功能。我們需要替換以前用於從PC機(ji)的(de)可(ke)視(shi)化(hua)用(yong)戶(hu)界(jie)麵(mian)來(lai)控(kong)製(zhi)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)過(guo)時(shi)的(de)編(bian)程(cheng)語(yu)言(yan)。考(kao)慮(lv)到(dao)需(xu)要(yao)保(bao)留(liu)可(ke)能(neng)作(zuo)為(wei)教(jiao)學(xue)輔(fu)助(zhu)的(de)應(ying)用(yong)，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)創(chuang)建(jian)出(chu)一(yi)種(zhong)可(ke)以(yi)允(yun)許(xu)學(xue)生(sheng)在(zai)未(wei)來(lai)進(jin)行(xing)便(bian)捷(jie)擴(kuo)展(zhan)的(de)係(xi)統(tong)（特別是不同的控製算法）。

設計選項

     在我們試圖對機器人進行逆向工程後，我們需要通過兩個主要步驟確定係統的總體布局。首先，我們需要開發I/O解決方案驅動機器人的5個直流電機
，並同時讀取編碼器信號。第二

，我們需要將信息傳輸到標準PC機上並將其在圖形界麵上顯示出來。

     係統所需的通道數(15路脈寬調製[PWM]數字輸出和10路數字輸入)和采樣速率(PWM為1kHz而輸入采樣速率為100kHz)doumeiyouchaochubiaozhunweikongzhiqidianlubandegexinghuajiejuefangandefanchou。danshi，bianchenghuanjingdeduoyangxinghekaifazheyangxitongsuomianlindetiaozhan，chaochulebenkeshengxiangmudeshixianhefanwei。youyumeiguoguojiayiqigongsidechanpin，keyitigongcongshujucaijidaogaojituxingyonghujiemiankaifadengquanbusuoxudegongneng，xianeryijiankeyizuoweiwomendexuanzezhiyi。

     我們選擇了CompactRIO可編程自動控製器，利用它來實時采集和處理所需數量的信號。雖然產品的花費超出了典型本科生項目的預算，但考慮到CompactRIO的全麵性和易用性，我們還是選擇了它。我們可以在5分鍾內設定好CompactRIO控製器(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製器。

信號I/O

     CompactRIO控製器的現場可編程門陣列(FPGA)背板，能夠以完全並行化的方式讀取、輸出和處理I/O模塊通道。利用數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個數字信號到外部的馬達驅動芯片

，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節上的兩個編碼器上獲得的信號
，顯示成整數以表示相對的關節角度。使用NI網站上提供的VI幫助我們進一步縮短了FPGA上VI的開發時間。兩個高速切換的數字輸出和數字輸入模塊為我們的應用提供了充足的通道數。

圖形化用戶界麵

     上述硬件接口的功能一定程度上受到FPGA技術能力的限製，但是係統的用戶界麵在Windows PC上運行，可以充分利用LabVIEW 8.5的特性。使用基於事件的界麵，用戶可以通過輸入位置向量或上下、zuoyouheqianhouzengliangshiyidongjiqiren，laishedingjiqirenzhongduanxiaoyingqidedikaerzuobiaoweizhihefangxiang。ranhoujinxingzuobiaobianhuan，jisuanchumeigejiqirenguanjiesuoxudeguanjiejiao。zhexieshujuhuifankuigeikongzhiqiziVI
，從所需和實際的關節角中計算出電機命令信號。

     為了允許學生們在將來實現不同的控製算法，隻要模板定義的前麵板元件存在，控製器子VI在每次運行時都加載並可以包含任意的邏輯。這非常有用，因為學生們可能不能使用LabVIEW環境下的所有功能，而隻能使用缺少LabVIEW FPGA和LabVIEW Real-Time Module的學生版本。雖然學生版軟件不能打開全部的機器人軟件，但學生們仍然可以使用它開發機器人控製器，並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工作。使用LabVIEW 3D圖tu像xiang控kong製zhi
，我wo們men創chuang建jian了le機ji器qi人ren的de示shi意yi原yuan理li圖tu。使shi用yong圖tu形xing化hua用yong戶hu界jie麵mian，用yong戶hu可ke以yi得de知zhi軟ruan件jian是shi否fou精jing確que表biao示shi了le當dang前qian機ji器qi人ren的de位wei置zhi。當dang可ke視shi化hua與yu現xian實shi不bu符fu合he時shi，用yong戶hu可ke將jiang機ji器qi人ren送song到dao啟qi動dong原yuan點dian，並bing按an下xia按an鈕niu重zhong新xin啟qi動dong軟ruan件jian。

結論

     使用CompactRIO和LabVIEW
，我們可以在同一個編程環境中
，從零開始構建完整的機器人驅動和控製係統。借助於CompactRIO控製器的易用性，使用高科技的FPGA技術來喚醒我們的“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，就開發出了包括軟件和硬件的整個係統。

致謝

     我在醫藥機電一體化實驗室中完成了這個項目，指導者是Ferdinando Rodriguez y Baena博士。該項目是在Christopher Burton已有工作的基礎上進行的。

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關於NI
     美國國家儀器有限公司（National Instruments，簡稱NI）致力於為測試測量、自動化和嵌入式應用領域的工程師和科學家們帶來革命性的理念，從“虛擬儀器技術”提升到“圖形化係統設計”
，幫助他們實現更高效和優化的設計、原型到發布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶提供現成即用的軟件（如NI LabVIEW圖形化開發平台），和高性價比的模塊化硬件。NI總部設在美國德克薩斯州的奧斯汀，在近40個國家和地區設有分支機構，共擁有5,000多名員工。在過去連續9年裏，NI被《財富》雜誌評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關於NI的信息，請訪問ni.com/china，或致電800-820-3622。