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[摘 要]本文介绍了一种针对地面遥操作带电作业机器人运动控制系统的设计方法，机器人采用基于CAN总线的双层分布式控制系统结构体系实现冗余机械臂七个关节电机的位置同步控制，并采用图形化开发平台LabView进行运动控制人机交互界面的开发，整个系统简洁高效，具有很好的易操作性和实用性。
[关键词]带电作业机器人 分布式运动控制系统 Labview 图形化人机界面
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0236-02
1 前沿
高压带电作业是指在不停电的状态下对高压供电线路进行维护、维修、增架、撤线、故障应急处理等作业。目前我国电网基本采用人工带电作业，作业中的操作人员时刻处于高空、高电压、强电场的威胁中，容易引发人身伤亡事故。伴随世界机器人技术的不断发展，带电作业机器人作为新概念的带电作业设备取代人工进行高危高强度的作业成为可能，并得到了越来越多的重视，一些发达国家已经开始使用带电作业机器人[1]。
目前国外使用的带电作业机器人基本采用主从控制方式，机器人有两个作业机械臂，操作员坐在机械臂后方的操作斗内，通过升降车将机器人与操作员一起托举至待作业区域，操作员通过肉眼观测并利用主从遥控手完成整个带电作业过程。这种方式虽然观测效果较好，操作较为直接。但依然无法避免操作员可能存在的触电和高空跌落等危险。基于地面遥控操作的带电作业机器人是目前带电作业机器人的发展趋势，机器人的操作员坐在地面控制室内，通过摄像头和其他传感器远距离观测作业区域，并通过主从操作手遥控操作机器人完成带电作业，可以完全避免操作员可能存在的危险，便于在电力行业中使用推广[2]。
遥操作带电作业机器人的双机械臂采用七自由度冗余设计。由于操作员远离机械臂，完全依靠现场传回的实时图像进行遥控操作，因此对机械臂的运动规划和定位精度都有较高的要求。随着机器人技术的发展，传统的基于多轴运动控制板卡的集中式机器人控制系统由于实时性、开放性及可靠性较差，已经不能满足需要多轴协调运动和高速轨迹插补控制的机器人发展的要求。基于工控机+实时操作系统+高速现场总线的分布式实时运动控制系统正逐步替代集中式的控制结构。对于冗余自由度机器人，采用分布式实时运动控制系统将能更好的发挥冗余自由度机器人的特点。
2 带电作业机器人控制系统结构
带电作业机器人的双机械臂为两个独立的运动控制系统。每个七自由度机械臂的运动控制系统采用两层分布式结构，上层为机器人工控机，用于完成机械臂的运动学反解、运动规划和执行、人际交互等任务。下层为7套机械臂的关节伺服驱动控制单元，每套伺服驱动控制单元包括1个带有增量编码器的交流伺服电机、1个带有CAN总线接口的伺服驱动器和1套高精度RV减速器等，伺服驱动器通过内部的电流传感器和电机末端的增量编码器构成电流、速度、位置三闭环系统，上层的机器人主机通过CAN通讯卡构建CAN串行总线连接7套电机驱动器，机械臂主机和驱动器之间的运动指令传输和数据采集均通过CAN总线完成。控制系统结构框图如图1所示。
七自由度机械臂的运动轨迹更为复杂，需要的插补周期更小，由于CAN总线的时钟频率最高只能达到1M/S ，上位机完成运动规划位置插补后，无法直接通过CAN总线实时发送各关节的位置指令，因此需要关节的伺服驱动器进行二次位置插补。机器人上位机每间隔8ms发送一次运动规划位置插补点，各关节接收到位置点后进行二次线性插补，7个伺服驱动器每间隔1ms进行一次位置同步控制，实现七自由度机械臂精确的运动轨迹。
3 LabView软件设计
LabView是由美国国家仪器公司研制的一种图形化程序开发环境，LabView与其他计算机语言的显著区别是使用的是图形化的编辑语言，产生的程序也是框图的形式。同时？LabView提供了PCI总线、GPIB总线、串口总线等的图形化的驱动程序，为程序开发带来了很大的方便[3]。
LabView图形化界面VI包含了三个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入值和观察输出量，并模拟真实仪表，也就是显示图形用户界面。其中输入量称为控制，输出量称为显示。控制和显示都是以图标的形式出现在前面板，如按钮、开关、图形等。每一个程序的前面板都对应着一个框图程序，框图程序用LabView 图形编程语言编写，可以把它理解为传统程序的源代码。框图程序由连线、图框、节点和端口构成。图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。
机械臂控制系统采用瑞典Kvaser公司的基于USB的CAN总线通讯卡实现通讯功能。该产品提供了多个子VI，利用提供的这些子VI建立控制模块，通过恰当的逻辑关系联系起来，可以完成硬件的驱动、参数设定和数据采集[4]。
LabView界面的前面板主要有四个部分组成：第一部分是CAN总线相关参数的配置。包括通道选择、波特率的设置、CAN总线的启动和总线状态；第二部分是数据发送窗口，主要用来对要发送的CAN数据进行定义并且可以显示CAN总线上的错误。包含了所要发送的数据帧ID、数据长度控制字DLC和八个字节的数据内容。除此之外还可以显示出总线的错误以及错误源。这一部分是上位机软件的核心。第三部分是数据接收窗口，该窗口可以接收总线上的所有数据，同时也可以检测接收错误。包括了数据的接收时间、数据的帧ID、数据长度的控制字和数据内容，通过该窗口我们可以检测总线的状况。这三部分的窗口如下图2所示。
第四部分是主控制窗口，该窗口包含了十四个关节的速度控制和状态显示，以及控制电机正反转的按键位置，如图3所示，其中每一个关节上电机的正转和反转都由机器人操作手柄上设定好的一对按键控制。
LabView图形界面里的每一个模块都是一个子VI，每一个子VI都对应着一个框图程序。图4是左臂第一个电机控制模块的正反转状态的框图程序。每一个电机控制模块都有一对这样的框图程序，框图程序可以理解成传统程序的源代码，程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口用于与程序前面板的控制和显示模块的数据传递，节点用于实现函数功能调用，图框用于实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流。
基于LabView的带电作业机器人运动控制系统的实验平台如图5所示。
4 总结
本文针对地面遥操作带电作业机器人的应用，介绍了一种其双机械臂基于LabView的运动控制系统的设计方法，该机器人的机械臂采用基于CAN总线的双层分布式控制系统结构体系，并基于图形化开发平台LabView进行人机交互界面的开发，整个系统具有简单、高效、可靠等特点，具有很好的易操作性和实用性。
参考文献（References）
[1] 戚辉.高压带电作业机器人[M]，天津大学博士学位论文，2004.04.
[2] 鲁守银，傅孟潮，历秉强，马培荪.DWR-1遥操作高压带电作业机器人[J]，上海交通大学学报，2005， 39（6），910-913.
[3] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M]，北京：电子工业出版社，2011，1-10.
[4] 王锦坚，洪添，基于LabVIEW的CAN总线通信系统的设计与实现[J]， 计算机应用与软件，2010，27（8），236-237.
基金项目
山东省科技发展计划项目（2011SJGZ02）
作者简介
黄梁松（1978.06-），男，山东东营人，山东科技大学机器人研究中心讲师，研究方向机器人学、智能控制。
李鑫（1989.02-），男，山东泰安人，山东科技大学机器人研究中心硕士研究生，研究方向机器人先进控制。
姜如康（1988.08-），女，山东莱阳人，山东科技大学机器人研究中心硕士研究生，研究方向机器人先进控制。
[关键词]带电作业机器人 分布式运动控制系统 Labview 图形化人机界面
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0236-02
1 前沿
高压带电作业是指在不停电的状态下对高压供电线路进行维护、维修、增架、撤线、故障应急处理等作业。目前我国电网基本采用人工带电作业，作业中的操作人员时刻处于高空、高电压、强电场的威胁中，容易引发人身伤亡事故。伴随世界机器人技术的不断发展，带电作业机器人作为新概念的带电作业设备取代人工进行高危高强度的作业成为可能，并得到了越来越多的重视，一些发达国家已经开始使用带电作业机器人[1]。
目前国外使用的带电作业机器人基本采用主从控制方式，机器人有两个作业机械臂，操作员坐在机械臂后方的操作斗内，通过升降车将机器人与操作员一起托举至待作业区域，操作员通过肉眼观测并利用主从遥控手完成整个带电作业过程。这种方式虽然观测效果较好，操作较为直接。但依然无法避免操作员可能存在的触电和高空跌落等危险。基于地面遥控操作的带电作业机器人是目前带电作业机器人的发展趋势，机器人的操作员坐在地面控制室内，通过摄像头和其他传感器远距离观测作业区域，并通过主从操作手遥控操作机器人完成带电作业，可以完全避免操作员可能存在的危险，便于在电力行业中使用推广[2]。
遥操作带电作业机器人的双机械臂采用七自由度冗余设计。由于操作员远离机械臂，完全依靠现场传回的实时图像进行遥控操作，因此对机械臂的运动规划和定位精度都有较高的要求。随着机器人技术的发展，传统的基于多轴运动控制板卡的集中式机器人控制系统由于实时性、开放性及可靠性较差，已经不能满足需要多轴协调运动和高速轨迹插补控制的机器人发展的要求。基于工控机+实时操作系统+高速现场总线的分布式实时运动控制系统正逐步替代集中式的控制结构。对于冗余自由度机器人，采用分布式实时运动控制系统将能更好的发挥冗余自由度机器人的特点。
2 带电作业机器人控制系统结构
带电作业机器人的双机械臂为两个独立的运动控制系统。每个七自由度机械臂的运动控制系统采用两层分布式结构，上层为机器人工控机，用于完成机械臂的运动学反解、运动规划和执行、人际交互等任务。下层为7套机械臂的关节伺服驱动控制单元，每套伺服驱动控制单元包括1个带有增量编码器的交流伺服电机、1个带有CAN总线接口的伺服驱动器和1套高精度RV减速器等，伺服驱动器通过内部的电流传感器和电机末端的增量编码器构成电流、速度、位置三闭环系统，上层的机器人主机通过CAN通讯卡构建CAN串行总线连接7套电机驱动器，机械臂主机和驱动器之间的运动指令传输和数据采集均通过CAN总线完成。控制系统结构框图如图1所示。
七自由度机械臂的运动轨迹更为复杂，需要的插补周期更小，由于CAN总线的时钟频率最高只能达到1M/S ，上位机完成运动规划位置插补后，无法直接通过CAN总线实时发送各关节的位置指令，因此需要关节的伺服驱动器进行二次位置插补。机器人上位机每间隔8ms发送一次运动规划位置插补点，各关节接收到位置点后进行二次线性插补，7个伺服驱动器每间隔1ms进行一次位置同步控制，实现七自由度机械臂精确的运动轨迹。
3 LabView软件设计
LabView是由美国国家仪器公司研制的一种图形化程序开发环境，LabView与其他计算机语言的显著区别是使用的是图形化的编辑语言，产生的程序也是框图的形式。同时？LabView提供了PCI总线、GPIB总线、串口总线等的图形化的驱动程序，为程序开发带来了很大的方便[3]。
LabView图形化界面VI包含了三个部分：程序前面板、框图程序和图标/连接器。程序前面板用于设置输入值和观察输出量，并模拟真实仪表，也就是显示图形用户界面。其中输入量称为控制，输出量称为显示。控制和显示都是以图标的形式出现在前面板，如按钮、开关、图形等。每一个程序的前面板都对应着一个框图程序，框图程序用LabView 图形编程语言编写，可以把它理解为传统程序的源代码。框图程序由连线、图框、节点和端口构成。图标/连接器是子VI被其它VI调用的接口。
机械臂控制系统采用瑞典Kvaser公司的基于USB的CAN总线通讯卡实现通讯功能。该产品提供了多个子VI，利用提供的这些子VI建立控制模块，通过恰当的逻辑关系联系起来，可以完成硬件的驱动、参数设定和数据采集[4]。
LabView界面的前面板主要有四个部分组成：第一部分是CAN总线相关参数的配置。包括通道选择、波特率的设置、CAN总线的启动和总线状态；第二部分是数据发送窗口，主要用来对要发送的CAN数据进行定义并且可以显示CAN总线上的错误。包含了所要发送的数据帧ID、数据长度控制字DLC和八个字节的数据内容。除此之外还可以显示出总线的错误以及错误源。这一部分是上位机软件的核心。第三部分是数据接收窗口，该窗口可以接收总线上的所有数据，同时也可以检测接收错误。包括了数据的接收时间、数据的帧ID、数据长度的控制字和数据内容，通过该窗口我们可以检测总线的状况。这三部分的窗口如下图2所示。
第四部分是主控制窗口，该窗口包含了十四个关节的速度控制和状态显示，以及控制电机正反转的按键位置，如图3所示，其中每一个关节上电机的正转和反转都由机器人操作手柄上设定好的一对按键控制。
LabView图形界面里的每一个模块都是一个子VI，每一个子VI都对应着一个框图程序。图4是左臂第一个电机控制模块的正反转状态的框图程序。每一个电机控制模块都有一对这样的框图程序，框图程序可以理解成传统程序的源代码，程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口用于与程序前面板的控制和显示模块的数据传递，节点用于实现函数功能调用，图框用于实现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流。
基于LabView的带电作业机器人运动控制系统的实验平台如图5所示。
4 总结
本文针对地面遥操作带电作业机器人的应用，介绍了一种其双机械臂基于LabView的运动控制系统的设计方法，该机器人的机械臂采用基于CAN总线的双层分布式控制系统结构体系，并基于图形化开发平台LabView进行人机交互界面的开发，整个系统具有简单、高效、可靠等特点，具有很好的易操作性和实用性。
参考文献（References）
[1] 戚辉.高压带电作业机器人[M]，天津大学博士学位论文，2004.04.
[2] 鲁守银，傅孟潮，历秉强，马培荪.DWR-1遥操作高压带电作业机器人[J]，上海交通大学学报，2005， 39（6），910-913.
[3] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M]，北京：电子工业出版社，2011，1-10.
[4] 王锦坚，洪添，基于LabVIEW的CAN总线通信系统的设计与实现[J]， 计算机应用与软件，2010，27（8），236-237.
基金项目
山东省科技发展计划项目（2011SJGZ02）
作者简介
黄梁松（1978.06-），男，山东东营人，山东科技大学机器人研究中心讲师，研究方向机器人学、智能控制。
李鑫（1989.02-），男，山东泰安人，山东科技大学机器人研究中心硕士研究生，研究方向机器人先进控制。
姜如康（1988.08-），女，山东莱阳人，山东科技大学机器人研究中心硕士研究生，研究方向机器人先进控制。