并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)

應(yīng)用領(lǐng)域：
　　機器人運動控制

挑戰(zhàn)：
　　應(yīng)用成熟的NI系列產(chǎn)品快速構(gòu)建一套功能完善、性能優(yōu)越、人機界面友好的開放式多自由度并聯(lián)機器人數(shù)控系統(tǒng)，不僅具有學(xué)術(shù)意義更具有實際意義。

應(yīng)用方案：
　　以6-PPPS六自由度并聯(lián)機器人為對象，以PXI-1042內(nèi)嵌PXI-8186控制器為核心，采用PXI-7356多軸運動控制卡和UMI-7774接口板驅(qū)動6個伺服電機，采用多軸控制卡的配套軟件和LabVIEW 8.0實現(xiàn)電機完全同步、并聯(lián)機器人的多軸協(xié)調(diào)軌跡控制、軌跡曲線選擇與顯示等關(guān)鍵技術(shù)，采用PXI-6511數(shù)字輸入卡實現(xiàn)操作按鈕及狀態(tài)指示等開關(guān)量控制，并利用PID軟件包和RT模塊的強大功能實現(xiàn)快速開發(fā)。軟件開發(fā)上采用了用戶事件技術(shù)、通知或隊列技術(shù)等LabVIEW的高級編程技術(shù)，解決了各用戶界面和各模塊之間的實時切換；各種變量的應(yīng)用則實現(xiàn)不同模塊之間的信息傳遞和共享；VI動態(tài)載入技術(shù)，實現(xiàn)子VI的即調(diào)即用和多面板的動態(tài)載入及界面重用；充分利用LabVIEW強大的外部接口能力，實現(xiàn)了動態(tài)鏈接庫（DLL）和Windows API的調(diào)用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機器人運動學(xué)模型，使程序不但具有強大的功能，也使得復(fù)雜的計算更為快捷。

使用的產(chǎn)品：
　　PXI-1042 機箱、
　　PXI-8186 控制器、
　　PXI-7356 運動控制卡、
　　UMI-7774 通用運動控制接口、
　　PXI-6511 工業(yè)數(shù)字I/0卡、
　　LabVIEW 8.0、
　　LabVIEW RT(實時模塊)、
　　Control Design and Simulation Bundle
　　Labview Control Design Toolkit
　　Labview System Identification Toolkit
　　Labview Simulation Interface
　　Toolkit
　　Labview Simulation Module
　　Motion Assistant

介紹：
　　并聯(lián)機器人以其剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好等優(yōu)點，不僅僅是當(dāng)前機器人研究領(lǐng)域的熱點，而且正逐漸走出實驗室被工業(yè)界所認(rèn)可。穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的開放式數(shù)字控制系統(tǒng)是制約并聯(lián)機器人發(fā)
展的瓶頸之一。其中實時性較強的多軸運動控制卡和功能完善的軟件開發(fā)平臺為其技術(shù)關(guān)鍵，應(yīng)用NI公司的一系列軟硬件產(chǎn)品不僅能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的精確多軸運動控制，而且節(jié)約了開發(fā)周期、降低了系統(tǒng)成本、易于維護升級，特別是虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)能夠有一個非常友好的人機交流界面。這些優(yōu)點為多自由度并聯(lián)機器人走向市場提供了保證。

　　本方案中，以LabVIEW為軟件平臺，以嵌入多軸運動控制卡（PXI-7356）的PXI開發(fā)平臺為硬件基礎(chǔ)，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開發(fā)了滿足六維運動的6-DOF（Degree of Freedom）并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)的開發(fā)和研制過程中實現(xiàn)了多電機同步、多軸協(xié)調(diào)軌跡控制、軌跡曲線實時顯示與選擇、面板的動態(tài)載入與重構(gòu)、信息的調(diào)用與共享等功能。實驗結(jié)果證明，應(yīng)用NI公司系列產(chǎn)品不僅能夠快速地開發(fā)出并聯(lián)機器人的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性價比；而且能得到比較完美的系統(tǒng)特性，如：25KHz—25.6MHz的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強電干擾的工業(yè)現(xiàn)場的穩(wěn)定工作，6軸PID控制周期可以達到250μs使得實時性遠遠高于一般控制控制系統(tǒng)1ms的要求，機器人六軸協(xié)調(diào)運動后的末端執(zhí)行器穩(wěn)態(tài)誤差可達1μm體現(xiàn)了系統(tǒng)精確的特性。

研究背景：
　　并聯(lián)機器人以其卓越的性能正在走出實驗室，步入工業(yè)界和人們最為熟悉的日常生活中。早在1962年Gough and Whitehall就把并聯(lián)機器人作為輪胎檢測機。最近幾十年中，并聯(lián)機器人被用于飛行器模擬器、微操作機器人、手術(shù)機器人以及大型射電望遠鏡中的例子舉不勝舉。然而，此類并聯(lián)機器人大多存在開發(fā)周期長、系統(tǒng)不開放維護和升級困難、造價高昂以及系統(tǒng)特性不完善等缺點，這也是制約并聯(lián)機器人全面走向市場的瓶頸。如何在較短的時間內(nèi)開發(fā)出系統(tǒng)特性好、成本低、功能齊全、界面友好的多自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)是一項挑戰(zhàn)性的工作。

　　本文以6-PPPS并聯(lián)機器人為控制對象，以NI公司的系列軟硬件產(chǎn)品為基礎(chǔ)，依托國家自然基金（No. 30770538）的支持，快速開發(fā)了此并聯(lián)機器人的開放式數(shù)字控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)總體的設(shè)計
　　本課題所研究的并聯(lián)機器人的驅(qū)動由六個高精度的伺服電機及其驅(qū)動器承擔(dān)，每一軸上都設(shè)有前限位、后限位及原點三個開關(guān)，共18個I/O量。電機驅(qū)動需要進行以位置反解為基礎(chǔ)的軌跡規(guī)劃，使機器人的末端執(zhí)行器以一定的軌跡準(zhǔn)確到達預(yù)定位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的軌跡進行工作，因此，并聯(lián)機器人的軌跡規(guī)劃和反解運算需要一個性能強大的計算器進行計算和存儲，并且這些存儲的數(shù)據(jù)實時地傳送到作為下位機的控制卡和驅(qū)動器上，以產(chǎn)生用于驅(qū)動電機的電流或電壓�？紤]到系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)傳遞、精確同步以及I/O信號種類多的特點，我們首先選擇了PXI開發(fā)平臺，這是因為PXI不僅具有業(yè)內(nèi)最高的總線帶寬和最低的傳輸延遲，而且提供從DC到6.6 GHz RF的各種模塊化的I/O。為了適應(yīng)本系統(tǒng)進一步升級和后續(xù)模塊的嵌入，我們選擇了高性能的8槽機箱�？刂破鲃t采用內(nèi)嵌2.2GHz Intel 奔騰4處理器的PXI-8186以滿足機器人軌跡規(guī)劃反解和數(shù)據(jù)分析的快速性。PXI-6511工業(yè)數(shù)字I/O接口板作為外圍模塊提供多達64路的隔離數(shù)字輸入。至于機器人控制系統(tǒng)的軟硬件具體設(shè)計和選型，我們將分別在下面逐一介紹�？刂葡到y(tǒng)硬件之間的關(guān)系如圖1.
 
　　　　　　　　　　　圖1.6-DOF并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的各部分之間的關(guān)系

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　由于本并聯(lián)機器人作為染色體切割裝備系統(tǒng)的宏動子系統(tǒng)，肩負著除染色體最終切割以外的絕大部分任務(wù)，具有高的定位精度和大的工作空間要求。其基本機構(gòu)是一6-PPPS解耦的空間六自由度并聯(lián)機構(gòu)，由六個高精度伺服電機驅(qū)動實現(xiàn)空間六維運動（X、Y、Z三個方向的移動和繞X、Y、Z三個方向的轉(zhuǎn)動），因為末端平臺要達到微米級精度和六個電機的協(xié)調(diào)控制，所以我們選用了NI公司性能卓越的PXI-7356多軸運動控制卡。此多軸運動控制卡的緩存斷點技術(shù)有效的提高了積分速度，對于一般的位置斷點能夠以2kHz的速率計算觸發(fā)點，對于等距分布點則能夠以高達4MHz的速率計算；此卡的兩軸PID控制周期可以達到62.5μs,8軸PID控制周期可以達到250μs，實時性遠遠高于一般試驗控制1ms的要求，如此高的計算效率適應(yīng)了本系統(tǒng)的快速響應(yīng)的特性。PXI-7356多軸運動控制卡的多軸同步時間小于一個采樣周期；其位置精度較高，位置反饋時位置誤差不超過正負一個正交碼盤計數(shù)（quadrature count），模擬量反饋時應(yīng)用其內(nèi)置的8路16位模擬量輸入采集功能，極大的提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率，使其位置誤差不超過一個最低有效位(LSB)，如此高的精度為系統(tǒng)高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多軸運動控制卡自身的安全標(biāo)準(zhǔn)、S曲線調(diào)節(jié)功能、雙PID控制環(huán)以及多軸之間的電子齒輪配合能夠為系統(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性。PXI-7356多軸運動控制卡及其配套的運動控制接口UMI-7774端口板具有用來控制固態(tài)繼電器和讀取數(shù)字編/譯碼器的64位數(shù)字I/O，使得系統(tǒng)中諸如18路限位、12路使能及眾多的報警等信號讀取和輸出更為方便快捷。鑒于以上考慮，我們認(rèn)為NI公司的PXI-7356多軸運動控制卡及其配套模塊式適合本系統(tǒng)的要求，并選用。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　控制系統(tǒng)的復(fù)雜性使得軟件設(shè)計的過程中必須進行合理有效的層面和模塊劃分。結(jié)合控制系統(tǒng)硬件和所要呈現(xiàn)的功能，本軟件劃分為應(yīng)用軟件層、核心軟件層和驅(qū)動軟件層，每層根據(jù)功能要求又分為若干功能模塊。如圖2.
 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2. 軟件結(jié)構(gòu)與信息傳遞

　　應(yīng)用軟件層：考慮到系統(tǒng)操作過程中需要運用一些開關(guān)來控制電機或抱閘、一些接口來改變各電機或壓電陶瓷的運行參數(shù)、一些指示燈來發(fā)出正�；驁缶�信號、一些軌跡曲線來實時監(jiān)控各部分的運行情況以及各界面之間的切換等功能，我們選用了最能體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)價值的LabVIEW圖形化編程語言，編寫了友好、方便、靈活的人機界面。程序的整體采用了主/從結(jié)構(gòu)的編程方式，主要是為了解決多個不同頻率的循環(huán)和循環(huán)之間的信息交互。程序中嵌入了并聯(lián)機器人的反解模型及控制算法，采用全局變量、局部變量、共享變量等實現(xiàn)各程序模塊之間及模塊內(nèi)部的信息交互，充分利用用戶事件技術(shù)、通知或隊列技術(shù)實現(xiàn)各界面之間的切換，為了避免諸如兩個循環(huán)同時操作一個對象之類的競爭問題，采用了同步技術(shù)。因為程序比較大，所要反映的信息多，因此在程序的管理上，我們也充分利用了LabVIEW的高級編程技巧，如為了節(jié)省內(nèi)存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動態(tài)VI控制技術(shù)，不但實現(xiàn)了子VI的即用即調(diào)，而且實現(xiàn)了多面板程序設(shè)計的動態(tài)載入和界面重用。

　　核心軟件層：面向機器人的軌跡控制與I/O邏輯控制的程序集合，如回零點、連續(xù)運行、單軸調(diào)整、軌跡曲線選擇、系統(tǒng)自檢等。該層軟件一方面負責(zé)完成機器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的精確同步運動控制，實現(xiàn)末端執(zhí)行器在操作空間中的精確軌跡；另一方面，該層軟件還需要完成一組通用I/O的輸入輸出控制，實現(xiàn)對機構(gòu)運動的過程控制以及對外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制等，以適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)需要。

　　驅(qū)動軟件層：驅(qū)動軟件是實現(xiàn)單軸與多軸運動控制、D/A轉(zhuǎn)換和硬件I/O控制的函數(shù)集合，包括軸配置、運動類型設(shè)置、電機運行和停止等操作函數(shù)。該層軟件主要進行運動軸參數(shù)設(shè)置、電機加減速控制、起停控制、D/A轉(zhuǎn)換和運動I/O的設(shè)置與控制等。該層的函數(shù)主要是控制板卡所帶有的底層功能模塊，可以用這些函數(shù)很方便的根據(jù)自己設(shè)定的控制方案編程實現(xiàn)上一級的核心控制軟件層。LabVIEW 圖形化語言和LabVIEW RT、Control Design and Simulation Bundle、Labview System identification toolkit, motion assistant等相關(guān)的NI工具包開發(fā)應(yīng)用程序不但使得軟件程序的開發(fā)效率大大提高，而且使得軟件的功能齊全、人機界面友好。

系統(tǒng)整體特性與實驗
　　本方案是并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域中一種新型的系統(tǒng)組建方法，其出發(fā)點和落腳點是縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)造價、提高系統(tǒng)特性、完善系統(tǒng)功能�；�于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人開放式數(shù)字控制系統(tǒng)不需要從最低層進行開發(fā)，只需對各個模塊進行配置并編寫出用戶需要的特定功能程序即可，與以往的機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)相比，不僅大大縮短了開發(fā)周期，而且系統(tǒng)的升級和維護也非常方便，在這個意義上來說此系統(tǒng)是性價比最高的。系統(tǒng)特性方面的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性、快速性和精確性上，25KHz—25.6MHz的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強電干擾的工業(yè)現(xiàn)場的穩(wěn)定工作，6軸PID控制周期可以達到250μs使得實時性遠遠高于一般控制控制系統(tǒng)1ms的要求，機器人六軸協(xié)調(diào)運動后的末端執(zhí)行器穩(wěn)態(tài)誤差可達1μm體現(xiàn)了系統(tǒng)精確的特性。下圖列出了幾個典型的模塊說明了系統(tǒng)的一些技術(shù)特點和成熟的功能。圖3是點動運行模塊，該模塊不僅具有6個軸中每軸的單軸點動，而且根據(jù)機器人的構(gòu)型特點和運動需求設(shè)置了任何兩軸的雙軸點動；該模塊可以根據(jù)用戶不同的運動需求設(shè)置點動步長、速度、加減速的基數(shù)值及其倍率；該模塊能夠?qū)崟r顯示運動的位置和運動完成狀態(tài)，圖示顯示了軸1經(jīng)過幾個單軸點動完成后的狀態(tài)。圖4為軌跡跟蹤模塊，該模塊不僅設(shè)置了預(yù)定軌跡的跟蹤也具有軌跡規(guī)劃的功能，并且能夠同時顯示六個軸的運行情況，圖示為反映x向兩軸同步運行的狀態(tài)。圖5為速度PID控制器加入前后同一余弦波的位置曲線運動所表現(xiàn)出的不同速度曲線特性，可見雙PID控制器能夠很大程度上改善其運動特性。圖6為并聯(lián)機器人整體系統(tǒng)。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動并聯(lián)機器人數(shù)控系統(tǒng)的其他特性不再一一贅述。
 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3 點動運行模塊

　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4. 軌跡跟蹤模塊

　　
　　　　　　　　　　　　　　圖5 速度PI控制器加入前后的運動特性比較

　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6 并聯(lián)機器人整體系統(tǒng)

總結(jié)
　　本文課題內(nèi)容涉及虛擬儀器技術(shù)、運動控制技術(shù)、機器人技術(shù)以及諸多LabVIEW編程技巧，建立并完善了基于LabVIEW和PXI開發(fā)平臺的“六自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)”，本系統(tǒng)具有高可靠性、高精度、高運算速度、高智能化、友好的人機交互能力等特點。獨立開展了一系列運動控制研究與應(yīng)用軟件編制工作，本系統(tǒng)主要特點如下：
　�。�1）將虛擬儀器拓展到并聯(lián)機器人的自動控制領(lǐng)域，充分利用LabVIEW 圖形化語言和LabVIEW RT, control design and Simulation Bundle、LabVIEW System identification Toolkit、Motion Assistant等相關(guān)的NI工具包開發(fā)應(yīng)用程序，構(gòu)成了一種基于模型的開放式運動控制系統(tǒng)，不但使系統(tǒng)具有極好的人機交互性、直觀性和齊全的功能，而且縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本和硬件成本，為機器人走向社會奠定了基礎(chǔ)。
　�。�2）充分利用PXI-7356多軸運動控制卡的相關(guān)軟件函數(shù)和模塊，開發(fā)了高精度的并聯(lián)機器人的多電機協(xié)調(diào)控制和雙電機同步控制。
　�。�3）采用了用戶事件技術(shù)、通知或隊列技術(shù)LabVIEW的高級編程技術(shù)，解決了各用戶界面和各模塊之間的實時切換；采用各種變量實現(xiàn)不同模塊之間和相同模塊內(nèi)部的信息傳遞和共享；采用了VI的動態(tài)載入技術(shù)，實現(xiàn)了子VI的即調(diào)即用和多面板的動態(tài)載入及界面重用。
　�。�4）充分利用LabVIEW強大的外部接口能力，實現(xiàn)了動態(tài)鏈接庫（DLL）和Windows API的調(diào)用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機器人運動控制程序，使程序不但具有Windows系統(tǒng)的拷貝、打印等功能，也使得復(fù)雜的計算更為快捷。