基于LabVIEW和PXI平臺設計的6-DOF并聯機器人控制系統

應用成熟的NI系列產品快速構建一套功能完善、性能優越、人機界面友好的開放式多自由度并聯機器人數控系統，不僅具有學術意義更具有實際意義。

　　應用方案：

　　以6-PPPS六自由度并聯機器人為對象，以PXI-1042內嵌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實現電機完全同步、并聯機器人的多軸協調軌跡控制、軌跡曲線選擇與顯示等關鍵技術，采用PXI-6511數字輸入卡實現操作按鈕及狀態指示等開關量控制，并利用PID軟件包和RT模塊的強大功能實現快速開發。軟件開發上采用了用戶事件技術、通知或隊列技術等LabVIEW的高級編程技術，解決了各用戶界面和各模塊之間的實時切換;各種變量的應用則實現不同模塊之間的信息傳遞和共享;VI動態載入技術，實現子VI的即調即用和多面板的動態載入及界面重用;充分利用LabVIEW強大的外部接口能力，實現了動態鏈接庫(DLL)和Windows API的調用，并嵌入了Matlab并聯機器人運動學模型，使程序不但具有強大的功能，也使得復雜的計算更為快捷。

　　使用的產品：

　　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 工業數字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、動力性能好等優點，不僅僅是當前機器人研究領域的熱點，而且正逐漸走出實驗室被工業界所認可。穩定、快速、準確的開放式數字控制系統是制約并聯機器人發展的瓶頸之一。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平臺為其技術關鍵，應用NI公司的一系列軟硬件產品不僅能夠實現機器人的精確多軸運動控制，而且節約了開發周期、降低了系統成本、易于維護升級，特別是虛擬儀器技術的應用，使得系統能夠有一個非常友好的人機交流界面。這些優點為多自由度并聯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開發平臺為硬件基礎，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開發了滿足六維運動的6-DOF(Degree of Freedom)并聯機器人控制系統。在本控制系統的開發和研制過程中實現了多電機同步、多軸協調軌跡控制、軌跡曲線實時顯示與選擇、面板的動態載入與重構、信息的調用與共享等功能。實驗結果證明，應用NI公司系列產品不僅能夠快速地開發出并聯機器人的控制系統，提高系統的性價比;而且能得到比較完美的系統特性，如：25KHz—25.6MHz的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統能夠在強電干擾的工業現場的穩定工作，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1ms的要求，機器人六軸協調運動后的末端執行器穩態誤差可達1μm體現了系統精確的特性。研究背景：

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

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

　　系統總體的設計

　　本課題所研究的并聯機器人的驅動由六個高精度的伺服電機及其驅動器承擔，每一軸上都設有前限位、后限位及原點三個開關，共18個I/O量。電機驅動需要進行以位置反解為基礎的軌跡規劃，使機器人的末端執行器以一定的軌跡準確到達預定位置，并根據預先規劃的軌跡進行工作，因此，并聯機器人的軌跡規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，并且這些存儲的數據實時地傳送到作為下位機的控制卡和驅動器上，以產生用于驅動電機的電流或電壓?？紤]到系統需要大量的數據傳遞、精確同步以及I/O信號種類多的特點，我們首先選擇了PXI開發平臺，這是因為PXI不僅具有業內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。為了適應本系統進一步升級和后續模塊的嵌入，我們選擇了高性能的8槽機箱?？刂破鲃t采用內嵌2.2GHz Intel 奔騰4處理器的PXI-8186以滿足機器人軌跡規劃反解和數據分析的快速性。PXI-6511工業數字I/O接口板作為外圍模塊提供多達64路的隔離數字輸入。至于機器人控制系統的軟硬件具體設計和選型，我們將分別在下面逐一介紹?？刂葡到y硬件之間的關系如圖1.

圖1.6-DOF并聯機器人控制系統的各部分之間的關系

　　控制系統硬件設計

　　由于本并聯機器人作為染色體切割裝備系統的宏動子系統，肩負著除染色體最終切割以外的絕大部分任務，具有高的定位精度和大的工作空間要求。其基本機構是一6-PPPS解耦的空間六自由度并聯機構，由六個高精度伺服電機驅動實現空間六維運動(X、Y、Z三個方向的移動和繞X、Y、Z三個方向的轉動)，因為末端平臺要達到微米級精度和六個電機的協調控制，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了本系統的快速響應的特性。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(quadrature count)，模擬量反饋時應用其內置的8路16位模擬量輸入采集功能，極大的提高了模數轉換的分辨率，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準、S曲線調節功能、雙PID控制環以及多軸之間的電子齒輪配合能夠為系統提供可靠的穩定性。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繼電器和讀取數字編/譯碼器的64位數字I/O，使得系統中諸如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的要求，并選用?？刂葡到y軟件設計

　　控制系統的復雜性使得軟件設計的過程中必須進行合理有效的層面和模塊劃分。結合控制系統硬件和所要呈現的功能，本軟件劃分為應用軟件層、核心軟件層和驅動軟件層，每層根據功能要求又分為若干功能模塊。如圖2.

圖2. 軟件結構與信息傳遞

　　應用軟件層：考慮到系統操作過程中需要運用一些開關來控制電機或抱閘、一些接口來改變各電機或壓電陶瓷的運行參數、一些指示燈來發出正?；驁缶盘?、一些軌跡曲線來實時監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虛擬儀器技術價值的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/從結構的編程方式，主要是為了解決多個不同頻率的循環和循環之間的信息交互。程序中嵌入了并聯機器人的反解模型及控制算法，采用全局變量、局部變量、共享變量等實現各程序模塊之間及模塊內部的信息交互，充分利用用戶事件技術、通知或隊列技術實現各界面之間的切換，為了避免諸如兩個循環同時操作一個對象之類的競爭問題，采用了同步技術。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，如為了節省內存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動態VI控制技術，不但實現了子VI的即用即調，而且實現了多面板程序設計的動態載入和界面重用。

　　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、連續運行、單軸調整、軌跡曲線選擇、系統自檢等。該層軟件一方面負責完成機器人各關節驅動電機的精確同步運動控制，實現末端執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，實現對機構運動的過程控制以及對外圍設備的協調控制等，以適應復雜的控制任務需要。

　　驅動軟件層：驅動軟件是實現單軸與多軸運動控制、D/A轉換和硬件I/O控制的函數集合，包括軸配置、運動類型設置、電機運行和停止等操作函數。該層軟件主要進行運動軸參數設置、電機加減速控制、起?？刂?、D/A轉換和運動I/O的設置與控制等。該層的函數主要是控制板卡所帶有的底層功能模塊，可以用這些函數很方便的根據自己設定的控制方案編程實現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等相關的NI工具包開發應用程序不但使得軟件程序的開發效率大大提高，而且使得軟件的功能齊全、人機界面友好。系統整體特性與實驗

　　本方案是并聯機器人控制系統設計領域中一種新型的系統組建方法，其出發點和落腳點是縮短開發周期、降低系統造價、提高系統特性、完善系統功能?；贚abVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯機器人開放式數字控制系統不需要從最低層進行開發，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的開發相比，不僅大大縮短了開發周期，而且系統的升級和維護也非常方便，在這個意義上來說此系統是性價比最高的。系統特性方面的優勢主要體現在穩定性、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能夠在強電干擾的工業現場的穩定工作，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1ms的要求，機器人六軸協調運動后的末端執行器穩態誤差可達1μm體現了系統精確的特性。下圖列出了幾個典型的模塊說明了系統的一些技術特點和成熟的功能。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，而且根據機器人的構型特點和運動需求設置了任何兩軸的雙軸點動;該模塊可以根據用戶不同的運動需求設置點動步長、速度、加減速的基數值及其倍率;該模塊能夠實時顯示運動的位置和運動完成狀態，圖示顯示了軸1經過幾個單軸點動完成后的狀態。圖4為軌跡跟蹤模塊，該模塊不僅設置了預定軌跡的跟蹤也具有軌跡規劃的功能，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。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為并聯機器人整體系統。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動并聯機器人數控系統的其他特性不再一一贅述。

　　總結

　　本文課題內容涉及虛擬儀器技術、運動控制技術、機器人技術以及諸多LabVIEW編程技巧，建立并完善了基于LabVIEW和PXI開發平臺的“六自由度并聯機器人控制系統”，本系統具有高可靠性、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用軟件編制工作，本系統主要特點如下：

　　(1)將虛擬儀器拓展到并聯機器人的自動控制領域，充分利用LabVIEW 圖形化語言和LabVIEW RT, control design and Simulation Bundle、LabVIEW System identification Toolkit、Motion Assistant等相關的NI工具包開發應用程序，構成了一種基于模型的開放式運動控制系統，不但使系統具有極好的人機交互性、直觀性和齊全的功能，而且縮短了開發周期，降低了開發成本和硬件成本，為機器人走向社會奠定了基礎。

　　圖3 點動運行模塊

　　Figure 3. Jogging Module

　　圖4. 軌跡跟蹤模塊

　　Figure 4. Track Tracing Module

　　(a) (b)

　　圖5 速度PI控制器加入前后的運動特性比較

　　Figure 5. Comparison of Motion Characteristics Before and After PI Velocity Controller Application

　　圖6 并聯機器人整體系統

　　Figure 6. A Complete Parallel Robot System

　　(2)充分利用PXI-7356多軸運動控制卡的相關軟件函數和模塊，開發了高精度的并聯機器人的多電機協調控制和雙電機同步控制。

　　(3)采用了用戶事件技術、通知或隊列技術LabVIEW的高級編程技術，解決了各用戶界面和各模塊之間的實時切換;采用各種變量實現不同模塊之間和相同模塊內部的信息傳遞和共享;采用了VI的動態載入技術，實現了子VI的即調即用和多面板的動態載入及界面重用。

　　(4)充分利用LabVIEW強大的外部接口能力，實現了動態鏈接庫(DLL)和Windows API的調用，并嵌入了Matlab并聯機器人運動控制程序，使程序不但具有Windows系統的拷貝、打印等功能，也使得復雜的計算更為快捷。