sbRIO用於拟人形机器手臂控制平台.PDF

sbRIO用於 擬人形機器 手臂控制平台 作者 ：陳彥宗 、管軍毅 、林欣緯 、黃漢邦 單位名稱 ：國立臺灣大學機械工程學系機器人實驗室 使用產品 軟體 ： LabView 8.6 LabView FPGA Module LabView Real-Time Module 硬體 sbRIO-9642嵌入式控制與擷取介面卡 應用領域 控制與模擬 嵌入式系統 運動控制 簡介 ： 在擬人形機器人手臂開發上要如何迅速的處理， 多重感測器所回 授的資訊並 且將複雜的控制運算整合至一即時的控制系統中，並在硬體上做實現一直是個很 具挑戰性的問題 。在多重感測器方面 ，需要整合數位的輸入輸出 與類比訊號輸 入，同時要及時完成訊號的解碼與處理 。根據理論與實驗證明 ，對於即時與高精 密度的控制系統而言，這兩部份要求的處理速度 均需要比控制器的運算迴圈要高 上至少十倍以上。在控制命令輸出部分 ，使用不同的驅動器則需要配合 接受特定 的命令要求 。例如 ：PWM命令或是方向與大小命令等等 。基於上述之需求 ，要 如何使用同一個硬體 ，而能夠處理不同的數位/類比輸入輸出是第一個挑戰 。 而擬人形機器手臂的高階控制法則常會使用到多次的矩陣與線性代數的運 算 ，例如 ：順向運動學與逆向運動學 。此類運算在撰寫成硬體語言時，常需要極 多的開發與除錯時間，同時在針對不同的機器手臂，也會有很大的不同 。因此 如 何縮短開發時間 ，並將同一套硬體控制 系統應用在不同的機器 手臂上是第二個挑 戰 。 對於沒有經驗的使用者 ，尤其是學生而言，要如何在還無相關實務經驗下 ， 自行 達成系統設計及架設 ，從無到有訓練出獨自 完整設計 、架設控制系統的能 力，則是第三個挑戰 。 1 /taiwan/paper_contest 在硬體上 ，本實驗室選用NI必威体育精装版開發的 sbRIO 平台，因為此平台具有高度擴充 性與多組的onboard數位 /類比 I/O ，當需要不同的感測器加入時 ，只需增買擴充 模組或是利用 FPGA的撰寫來讀取新增的感測器訊號 。同時由於體積較一般的個 人電腦小，可裝載於各式的移動式 機器人內部而無須外接電腦控制 。 另外使用 LabView軟體 ，利用其圖形化的操作介面 彈性的軟體， 撰寫架構 與強大的硬體整合能力，使學生能快速實現由理論所推導出的控制法則 ，並藉由 FPGA 端與RT 端幾乎相同的LabView 介面，將可很輕易的撰寫出實際可在 FPGA 端與RT 端上分別執行的硬體程式 。 在實驗上 ，本研究 將感測器的資料處理模組、高階控制器模組 、單軸控制器 模組與驅動器命令產生模組均建立在 sbRIO的 RT 與FPGA 上，並已達成在理論 上每次控制迴圈均須在 0.01 秒 以內的要求。同時使用三種不同的軌跡 ，分別為 點到點 ，畫圓圈與走直線 ，證明利用 NI新開發的 sbRIO 平台 配合本實驗室所， 自行發展的高階演算法 可以， 快速且有效的建立即時且精確的多自由度擬人形機 器手臂控制系統 。 欲研究之問題及目的 針對於擬人形機器手臂控制器而言，由於需要的 大量的感測器 ，且種類各不 盡相同 ，所回授的資訊也差異甚大 。此時會出現兩個問題： 1. 第一個是要如何利用一個整合好的軟硬體來處理回授資訊 。 2. 第二點是針對各種不同的 擬人形機器手臂的控制法則 ，如何減少其在實際硬 體開發上測試所需消耗的時間 。 由以上兩點 開發一擬人形機器手臂， ，極 需要一個能整合多種感測器並在要求取 樣時間內完成控制器所有運算的整合型控制系統 因此本研究。 建立起能夠快速開 發與 適應各種不同的感測器的多軸機器手臂控制平台。此平台可掛載不同的高階 控制法則，並在即時的處理環境下驗證控制法則的正確性。在此所使用的高階控 制器為交叉耦合控制器 (Cross-Coupling Controller) ，經由實驗驗證此控制法則的 效能 ，來