基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)

基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)
Study on the Control System of the 6-DOF Parallel Robot Based on LabVIEW and PXI Development Platform
作者：張建政
指導老師：高峰 趙現(xiàn)朝
                          上海交通大學機械與動力工程學院 
應用領域：機器人運動控制
挑戰(zhàn)：應用成熟的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)，不僅具有學術(shù)意義更具有實際意義。

應用方案：
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(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，不僅僅是當前機器人研究領域的熱點，而且正逐漸走出實驗室被工業(yè)界所認可。穩(wěn)定、快速、準確的開放式數(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，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，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，每一軸上都設有前限位、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的軌跡規(guī)劃，使機器人的末端執(zhí)行器以一定的軌跡準確到達預定位置，并根據(jù)預先規(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。考慮到系統(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，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了本系統(tǒng)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(shù)（quadrature count），模擬量反饋時應用其內(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準、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)軟件設計
控制系統(tǒng)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(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)出正常或報警信號、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備的協(xié)調(diào)控制等，以適應復雜的控制任務需要。

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)設置、電機加減速控制、起?？刂啤/A轉(zhuǎn)換和運動I/O的設置與控制等。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)設計領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?；贚abVIEW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，該模塊不僅設置了預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。

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。

 
 
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(lián)機器人整體系統(tǒng)
Figure 6. A Complete Parallel Robot System
（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，也使得復雜的計算更為快捷。