結論與未來展望 - 運用LabVIEW於小型機械手臂之人機界面的建構

第五章結論與未來展望：探討未來可以著手發展的研究，並對本文做一個總結與建議。

第二章

儀器及軟體介紹

2.1 Hitec HS-422 伺服馬達介紹

由於機械手臂乃是由許多關節所組成，其靈活度也是由關節的多寡與每個關節的活動範圍所控制。在此使用多具伺服馬達組成一機械手臂，每具伺服馬達便是機械手臂之各關節，機械手臂之靈活度與載重能力也都取決於伺服馬達之性能。圖 2-1 為伺服馬達實體圖。

圖 2-1 伺服馬達實體圖【3】

不同型號之伺服馬達皆具有其特殊之規格，性能也有所差異，表 2-1 為 HS-422 之特性規格表。

Control System +Pulse Width Control 1500usec Neutral Required Pulse 3-5 Volt Peak to Peak Square Wave Operating Voltage 4.8-6.0 Volts

Operating Speed (4.8V) 0.21sec/60 degrees at no load Operating Speed (6.0V) 0.16sec/60 degrees at no load

Stall Torque (4.8V) 45.82 oz/in. (3.3kg.cm) Stall Torque (6.0V) 56.93 oz/in. (4.1kg.cm)

Operating Angle 45 Deg. one side pulse traveling 400usec

360 Modifiable Yes

Direction Clockwise/Pulse Traveling 1500 to 1900usec

Current Drain (4.8V) 8mA/idle and 150mA no load operating Current Drain (6.0V) 8.8mA/idle and 180mA no load operating

Dead Band Width 8usec Motor Type 3 Pole Ferrite Potentiometer Drive Indirect Drive

Bearing Type Dual Oilite Bushing

Gear Type Nylon

圖 2-2 脈波控制圖【4】

由上圖可知，當脈波訊號為 1.5ms 時，伺服馬達轉向為中間、1ms 時為-45°、2ms 時為 45°。然而機械手臂所需之伺服馬達轉動範圍更大，±45°並不能滿足機械手臂所需，故在本文中使用之脈波寬度為

0.5ms 至 2.5ms，伺服馬達之轉動範圍因而變成±90°，以達到機械手臂靈活度之要求。

2.2 Mini SSC II 介紹

由於電腦無法直接傳送脈波訊號至伺服馬達，故在此使用 Mini

SSC II 作為傳送命令的橋樑。Mini SSC II 是使用 RS-232 接頭來與電腦做連接，其傳輸速率為 2400 bps 或是 9600 bps，一組 Mini SSC II 可以一次控制八顆伺服馬達。要以 Mini SSC II 來控制伺服馬達，必須送出的指令包含三個位元組：一個為同步位元組( Sync Byte )為

ASCII 的 255；一個為伺服馬達的編號( 0 ~ 7 )；一個為伺服馬達所要轉動的位置( 0~254，127 為中心點)，如此一來才能以 Mini SSC II 來控制伺服馬達使其轉動至目標位置。

圖 2-3 Mini SSC II 接收指令示意圖【4】

Mini SSC II 上有一顆 LED 燈，當 Mini SSC II 收到同步位元組 (Byte 1)後，LED 燈會亮起，直到收到位置(Byte 3)後，LED 燈會熄滅，

可由此 LED 燈可以驗證 Mini SSC II 所接收的指定是否正確。

圖 2-4 Mini SSC II 實體照片【1】

2.3 機械手臂控制盒

在此將製作ㄧ控制盒供應電源予 Mini SSC II(7~15V)及機械手臂

(5V)。由於控制盒內僅使用一 11V 電池，故必須將其降壓以供應機械手臂使用。圖 2-5 為降壓電路圖。

Byte 1 Byte 2 Byte 3

[ Sync Marker ( 255 ) ] [ Servo #(0-7) ] [ Position (0-254) ]

圖 2-5 降壓電路圖【5】

在製作此降壓電路時需要一降壓 IC，在此使用之 IC 為 7805。圖 2-6 為降壓 IC 實體圖。

圖 2-6 降壓 IC 實體圖

在電路製作完成後，電池將會輸出 11V 及 5V 的電壓供給 Mini SSC II 及機械手臂使用，圖 2-7 為控制盒完成圖。

圖 2-7 控制盒完成圖

2.4 開發軟體

在 2.2 時曾經提到，伺服馬達的轉動是經由 Mini SSC II 輸出脈波訊號控制，但電腦必須經由軟體的幫助，才能輸出命令至 Mini SS -C II，在此所使用之軟體為 LabVIEW。LabVIEW 是 Laboratory Virt ual Instrument Engineering Workbench 的縮寫，是由美國國家儀器股份有限公司( NATIONAL INSTRUMENTS，簡稱 NI 公司 ) 於 1986 年發展出來的，其擁有強大的功能且為適用性極高的儀器控制與分析軟體，和傳統程式語言不同的是，其程式語言是較為淺顯易懂的圖形化程式語言(Graphic Language，簡稱 G 語言)，其以圖形的方式來取代文字程式的撰寫，所以其程式指令多為看見圖形即可知道其用途，

且利用資料流(Dataflow)的觀念來呈現程式執行的順序，也因為如此，LabVIEW 較其他程式語言容易著手學習。

LabVIEW 程式ㄧ般稱為虛擬儀表(Virtual Instrument, VI)，整個應用程式的架構，包含了三個主要的部份：

個是輸出，稱之為顯示物件 ( Indicators )。透過不同類型的控制物件與顯示器物件，即可建構出千變萬化的前置面板。圖 2-8 為前置面版視窗。

圖 2-8 前置面版視窗

(b) 程式方塊 ( Block Diagram ) 視窗

程式方塊圖即為 LabVIEW 的原始程式碼，主要是利用圖示的方式來表示，他代表著傳統程式裡的ㄧ行行指令，利用連線的方式將各個有特定功能的函數圖形連結起來，使得資料可以藉由連線來傳送，

圖 2-9 為一個簡易的程式方塊圖。

圖 2-9 程式方塊視窗

已完成的 VI 可以在其他的程式方塊圖中被呼叫出來，如同副程式或是函數一樣，此時就需要製作圖像與連結器，因為 LabVIEW 是圖形化程式語言，所以當想要呼叫副程式時，必須先把欲呼叫的程式其連接器與圖像設定完成。圖像通常顯示於前置面板右上角，而連接器視為此 VI 的輸入輸出端點，負責資料的傳送與接收，如同傳統程式裡的參數。圖 2-10 為圖像與連接器的圖示。

圖 2-10 圖像與連結器【6】

2.5 機械手臂之組成

本文中使用之機械手臂為皮托科技股份有限公司出產之「Model

RCS-6 Robot Construction Set」，其為六軸伺服機械系統，伺服馬達之位置可自由變化以創造出不同之機械手臂構形【7】。圖 2-11、2-12 為機械手臂實體圖。

圖 2-11 機械手臂實體圖

圖 2-12 機械手臂實體圖

此機械手臂原有套裝軟體控制其伺服馬達之動作，但在本文中並不使用其附加之軟體，而改由以 LabVIEW 撰寫程式控制。

第三章

FEMALE MALE Signal Pin Signal Pin

1 DCD 1 DCD

3.2 硬體系統配置

將搖桿由 USB 插槽接入筆記型電腦，電腦再經由 RS-232 連接埠連接 Mini SSC II，Mini SSC II 接上機械手臂之六個伺服馬達，並供應 9V(Mini SSC II)及 5V(Servo)之電源於 Mini SSC II，由 LabVIEW 產生 ASCII 至 Mini SSC II， Mini SSC II 接收命令判斷並輸出脈衝寬度

3.3 基礎控制

本章節介紹 LabVIEW 如何輸出命令至 Mini SSC II 並控制伺服馬達之轉動，圖 3-2 為 Mini SSC II 所需之基本輸入。

圖 3-2 Mini SSC II 接收指令之程式參考

Mini SSC II 所接收之指令必須為三個位元組所組成，其中第一個位元組稱為同步位元組（Sync Byte），為 ASCII 的 255，第二個為伺服馬達的編號，本文使用之伺服馬達編號為 0~5，第三個為伺服馬達之轉動位置(0~254，其中 127 為中心點)【4】。Mini SSC II 驅動伺服馬達轉動之角度有兩種，分別為 90°及 180°，本文選擇之轉動角度為 180°，圖 3-3 為 Mini SSC II 驅動伺服馬達轉動之位置示意圖。

127

254 0

圖 3-3 伺服馬達轉動位置示意圖

圖 3-4 為基本實例應用。下圖(a)為前置面板(b)為程式方塊圖。

(a) (b)

圖 3-4 基本實例應用

上圖(b)中所示之【VISA Resource Name】為輸出至 RS-232 之連接埠，由前置面板調整後之值為一數值,在程式方塊圖中由【Build

A-rray】轉為陣列後，再經由【Byte Array To String】轉為 ASCII 輸出至 Mini SSC II 控制伺服馬達轉動至預定位置。此為 LabVIEW 經由 Mini SSC II 控制伺服馬達之基本架構。

第四章

實際應用

4.1 機械手臂應用於寫字

本章節之應用為多次測試後之結果，先預設機械手臂要寫之字型，經由不斷測試後以達預設目標，圖 4-1 為測試流程圖。

在運用機械手臂寫字之部分，乃是找出筆畫軌跡的起始點與終點，並且不斷測試伺服馬達的走向，使其能完成預定之筆畫。初步為數個分開動作完成一字母，而後將其合併成為一連續動作，使之完成欲得之字型，最後再加入使用鍵盤，按下鍵盤中對應的字母鍵，機械手臂即可寫出。圖 4-2、4-3 為開關及鍵盤執行寫字之面板。

圖 4-1 測試流程圖

圖 4-2 使用者介面圖

圖 4-3 使用者介面圖

圖 4-2 中 A 為字型對應開關，按下開關機械手臂即可寫出其所對應之字型，B 為動作顯示區，此處將會顯示出機械手臂正在執行的動作，C 為顯示執行筆畫區，當 C 區燈亮時，B 區將不會顯示動作。圖

4-3 中 D 區為鍵盤輸入區，當在鍵盤上按下欲寫出之字型時，字型將在 D 區顯示，機械手臂也會寫出相對應之字型。圖 4-4 為機械手臂寫字之連續動作分解圖。

(1) (2)

(3) (4)

(5) (6)

(7) (8)

圖 4-4 機械手臂寫字之連續動作分解圖

4.2 機械手臂應用於連續動作

此設計為程式自動運算路徑，使用者只控制其各個到達位置，目前只設計五個控制位置，但並不需全部調整，也可只調整二至三個位置。在開關設計方面為，當一個開關開啟時，其他開關不得打開，以避免使用者不小心按錯開關時位置又要重新調整的情況。圖 4-6 為使用者介面圖。

圖 4-6 使用者介面圖

上圖中之 A 區為使用者調整各伺服馬達角度之調整區，各伺服馬達之位置以角度方式顯現，而非以 0~254 之值呈現，方便使用者理解及調整。而 B 區為暫存位置按鈕，開啟按鈕時，將讀取使用者在 A 區所調整的位置，按鈕關閉時將暫存當時機械手臂之位置，依序調整共可記錄五個位置，C 區則為機械手臂之動作顯示區，機械手臂所正在做的動作將在此區顯示出來，D 區則為總開關，開啟時機械手臂將會將使用者暫存之五個位置用一連續動作顯現出來。

(a) (b)

(c)

圖 4-7 部份程式方塊圖

在程式方面，如圖 4-7 所示，當修改一開關開啟時，使用者調整六個伺服馬達之角度，其可暫存開關關閉前的最後數值，再進入(b) 圖中做運算，最後進入(c)圖，使機械手臂之六伺服馬達，在總開關打開時，自動生成一連續動作由歸零位置至使用者設定好的位置。

4.3 搖桿控制

4.3.2 搖桿數值轉換

由於搖桿數值與伺服馬達需要之數值有一段差距，必須經過轉換後方能為伺服馬達所用，所以在本章節中將簡述其轉換過程。圖 4-11 為程式方塊圖。

圖 4-11 數值轉換方塊圖

搖桿輸出數值範圍為 32767 ~ -32768，但其中數值並非穩定的增加或減少，而是有其一定的規律，所以在應用上是取其區間，上圖以 300 為一區間，再取出其商值以做為伺服馬達之用。

(0,－32768)

(－32768,－32768) (32767,－32768)

(－32768, 0) (0, 0) (32767, 0)

(－32768, 32767) (32767, 32767) (0, 32767)

圖 4-12 搖桿輸出值

4.3.3 搖桿控制實例

在此章節將實際以搖桿控制伺服馬達，使機械手臂產生動作。圖 4-13 為部份程式方塊圖。

圖 4-13 部份程式方塊圖

在此部份之控制為一個按鈕控制一個伺服馬達，當按鈕按下時，

搖桿之 X 軸輸出將可控制伺服馬達之轉向，以 127 為 0°，對應搖桿之正中心（0,0）位置，當搖桿往正 X 軸移動時，伺服馬達則往機械手臂之正 90°偏轉，反之亦然。圖 4-14 為機械手臂轉向圖。

機械手臂

－90° 90°

圖 4-14 機械手臂轉向圖

圖 4-15 機械手臂實體圖

搖桿上之每個按鈕均有一個對應的伺服馬達，圖 4-16 中(a)為搖桿按鈕編號圖，(b)為伺服機編號圖

在文檔中運用LabVIEW於小型機械手臂之人機界面的建構 (頁 12-43)