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挑戰：應用成熟的NI系列產(chǎn)品快速構建一套功能完善、性能優(yōu)越、人機界面友好的開(kāi)放式多自由度并聯(lián)機器人數控系統，不僅具有學(xué)術(shù)意義更具有實(shí)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內嵌PXI-8186控制器為核心，采用PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡和UMI-7774接口板驅動(dòng)6個(gè)伺服電機，采用多軸控制卡的配套軟件和LabVIEW 8.0實(shí)現電機完全同步、并聯(lián)機器人的多軸協(xié)調軌跡控制、軌跡曲線(xiàn)選擇與顯示等關(guān)鍵技術(shù)，采用PXI-6511數字輸入卡實(shí)現操作按鈕及狀態(tài)指示等開(kāi)關(guān)量控制，并利用PID軟件包和RT模塊的強大功能實(shí)現快速開(kāi)發(fā)。軟件開(kāi)發(fā)上采用了用戶(hù)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(hù)界面和各模塊之間的實(shí)時(shí)切換；各種變量的應用則實(shí)現不同模塊之間的信息傳遞和共享；VI動(dòng)態(tài)載入技術(shù)，實(shí)現子VI的即調即用和多面板的動(dòng)態(tài)載入及界面重用；充分利用LabVIEW強大的外部接口能力，實(shí)現了動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）和Windows API的調用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機器人運動(dòng)學(xué)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(dòng)控制卡、 UMI-7774 通用運動(dòng)控制接口、 PXI-6511 工業(yè)數字I/0卡、 LabVIEW 8.0、 LabVIEW RT(實(shí)時(shí)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(dòng)力性能好等優(yōu)點(diǎn)，不僅僅是當前機器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而且正逐漸走出實(shí)驗室被工業(yè)界所認可。穩定、快速、準確的開(kāi)放式數字控制系統是制約并聯(lián)機器人發(fā)展的瓶頸之一。其中實(shí)時(shí)性較強的多軸運動(dòng)控制卡和功能完善的軟件開(kāi)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)品不僅能夠實(shí)現機器人的精確多軸運動(dòng)控制，而且節約了開(kāi)發(fā)周期、降低了系統成本、易于維護升級，特別是虛擬儀器技術(shù)的應用，使得系統能夠有一個(gè)非常友好的人機交流界面。這些優(yōu)點(diǎn)為多自由度并聯(lián)機器人走向市場(chǎng)提供了保證。 本方案中，以L(fǎng)abVIEW為軟件平臺，以嵌入多軸運動(dòng)控制卡（PXI-7356）的PXI開(kāi)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(kāi)發(fā)了滿(mǎn)足六維運動(dòng)的6-DOF（Degree of Freedom）并聯(lián)機器人控制系統。在本控制系統的開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程中實(shí)現了多電機同步、多軸協(xié)調軌跡控制、軌跡曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示與選擇、面板的動(dòng)態(tài)載入與重構、信息的調用與共享等功能。實(shí)驗結果證明，應用NI公司系列產(chǎn)品不僅能夠快速地開(kāi)發(fā)出并聯(lián)機器人的控制系統，提高系統的性?xún)r(jià)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(yè)現場(chǎng)的穩定工作，6軸PID控制周期可以達到250μs使得實(shí)時(shí)性遠遠高于一般控制控制系統1ms的要求，機器人六軸協(xié)調運動(dòng)后的末端執行器穩態(tài)誤差可達1μm體現了系統精確的特性。 研究背景： 并聯(lián)機器人以其卓越的性能正在走出實(shí)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(lèi)并聯(lián)機器人大多存在開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、系統不開(kāi)放維護和升級困難、造價(jià)高昂以及系統特性不完善等缺點(diǎn)，這也是制約并聯(lián)機器人全面走向市場(chǎng)的瓶頸。如何在較短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出系統特性好、成本低、功能齊全、界面友好的多自由度并聯(lián)機器人控制系統是一項挑戰性的工作。 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(kāi)發(fā)了此并聯(lián)機器人的開(kāi)放式數字控制系統。 系統總體的設計 本課題所研究的并聯(lián)機器人的驅動(dòng)由六個(gè)高精度的伺服電機及其驅動(dòng)器承擔，每一軸上都設有前限位、后限位及原點(diǎn)三個(gè)開(kāi)關(guān)，共18個(gè)I/O量。電機驅動(dòng)需要進(jìn)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(jìn)行工作，因此，并聯(lián)機器人的軌跡規劃和反解運算需要一個(gè)性能強大的計算器進(jìn)行計算和存儲，并且這些存儲的數據實(shí)時(shí)地傳送到作為下位機的控制卡和驅動(dòng)器上，以產(chǎn)生用于驅動(dòng)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(lèi)多的特點(diǎn)，我們首先選擇了PXI開(kāi)發(fā)平臺，這是因為PXI不僅具有業(yè)內最高的總線(xiàn)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(jìn)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(mǎn)足機器人軌跡規劃反解和數據分析的快速性。PXI-6511工業(yè)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(guān)系如圖1. 
圖1.6-DOF并聯(lián)機器人控制系統的各部分之間的關(guān)系 控制系統硬件設計 由于本并聯(lián)機器人作為染色體切割裝備系統的宏動(dòng)子系統，肩負著(zhù)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。其基本機構是一6-PPPS解耦的空間六自由度并聯(lián)機構，由六個(gè)高精度伺服電機驅動(dòng)實(shí)現空間六維運動(dòng)（X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)和繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉動(dòng)），因為末端平臺要達到微米級精度和六個(gè)電機的協(xié)調控制，所以我們選用了NI公司性能卓越的PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡。此多軸運動(dòng)控制卡的緩存斷點(diǎn)技術(shù)有效的提高了積分速度，對于一般的位置斷點(diǎn)能夠以2kHz的速率計算觸發(fā)點(diǎn)，對于等距分布點(diǎn)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(shí)時(shí)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(dòng)控制卡的多軸同步時(shí)間小于一個(gè)采樣周期；其位置精度較高，位置反饋時(shí)位置誤差不超過(guò)正負一個(gè)正交碼盤(pán)計數（quadrature count），模擬量反饋時(shí)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(guò)一個(gè)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(dòng)控制卡自身的安全標準、S曲線(xiàn)調節功能、雙PID控制環(huán)以及多軸之間的電子齒輪配合能夠為系統提供可靠的穩定性。PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡及其配套的運動(dòng)控制接口UMI-7774端口板具有用來(lái)控制固態(tài)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(dòng)控制卡及其配套模塊式適合本系統的要求，并選用。 控制系統軟件設計 控制系統的復雜性使得軟件設計的過(guò)程中必須進(jìn)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(dòng)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(guò)程中需要運用一些開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機或抱閘、一些接口來(lái)改變各電機或壓電陶瓷的運行參數、一些指示燈來(lái)發(fā)出正�；驁缶盘�、一些軌跡曲線(xiàn)來(lái)實(shí)時(shí)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(shù)價(jià)值的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，編寫(xiě)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(gè)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(shí)現各程序模塊之間及模塊內部的信息交互，充分利用用戶(hù)事件技術(shù)、通知或隊列技術(shù)實(shí)現各界面之間的切換，為了避免諸如兩個(gè)循環(huán)同時(shí)操作一個(gè)對象之類(lèi)的競爭問(wèn)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，如為了節省內存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動(dòng)態(tài)VI控制技術(shù)，不但實(shí)現了子VI的即用即調，而且實(shí)現了多面板程序設計的動(dòng)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(diǎn)、連續運行、單軸調整、軌跡曲線(xiàn)選擇、系統自檢等。該層軟件一方面負責完成機器人各關(guān)節驅動(dòng)電機的精確同步運動(dòng)控制，實(shí)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(shí)現對機構運動(dòng)的過(guò)程控制以及對外圍設備的協(xié)調控制等，以適應復雜的控制任務(wù)需要。 驅動(dòng)軟件層：驅動(dòng)軟件是實(shí)現單軸與多軸運動(dòng)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(dòng)類(lèi)型設置、電機運行和停止等操作函數。該層軟件主要進(jìn)行運動(dòng)軸參數設置、電機加減速控制、起�？刂�、D/A轉換和運動(dòng)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(shí)現上一級的核心控制軟件層。LabVIEW 圖形化語(yǔ)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(kāi)發(fā)應用程序不但使得軟件程序的開(kāi)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。 系統整體特性與實(shí)驗 本方案是并聯(lián)機器人控制系統設計領(lǐng)域中一種新型的系統組建方法，其出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)是縮短開(kāi)發(fā)周期、降低系統造價(jià)、提高系統特性、完善系統功能�；贚abVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人開(kāi)放式數字控制系統不需要從最低層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，只需對各個(gè)模塊進(jìn)行配置并編寫(xiě)出用戶(hù)需要的特定功能程序即可，與以往的機器人控制系統的開(kāi)發(fā)相比，不僅大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且系統的升級和維護也非常方便，在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)此系統是性?xún)r(jià)比最高的。系統特性方面的優(yōu)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(yè)現場(chǎng)的穩定工作，6軸PID控制周期可以達到250μs使得實(shí)時(shí)性遠遠高于一般控制控制系統1ms的要求，機器人六軸協(xié)調運動(dòng)后的末端執行器穩態(tài)誤差可達1μm體現了系統精確的特性。下圖列出了幾個(gè)典型的模塊說(shuō)明了系統的一些技術(shù)特點(diǎn)和成熟的功能。圖3是點(diǎn)動(dòng)運行模塊，該模塊不僅具有6個(gè)軸中每軸的單軸點(diǎn)動(dòng)，而且根據機器人的構型特點(diǎn)和運動(dòng)需求設置了任何兩軸的雙軸點(diǎn)動(dòng)；該模塊可以根據用戶(hù)不同的運動(dòng)需求設置點(diǎn)動(dòng)步長(cháng)、速度、加減速的基數值及其倍率；該模塊能夠實(shí)時(shí)顯示運動(dòng)的位置和運動(dòng)完成狀態(tài)，圖示顯示了軸1經(jīng)過(guò)幾個(gè)單軸點(diǎn)動(dòng)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劃的功能，并且能夠同時(shí)顯示六個(gè)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(xiàn)運動(dòng)所表現出的不同速度曲線(xiàn)特性，可見(jiàn)雙PID控制器能夠很大程度上改善其運動(dòng)特性。圖6為并聯(lián)機器人整體系統。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動(dòng)并聯(lián)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(shù)、運動(dòng)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(kāi)發(fā)平臺的“六自由度并聯(lián)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(diǎn)。獨立開(kāi)展了一系列運動(dòng)控制研究與應用軟件編制工作，本系統主要特點(diǎn)如下： （1）將虛擬儀器拓展到并聯(lián)機器人的自動(dòng)控制領(lǐng)域，充分利用LabVIEW 圖形化語(yǔ)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(kāi)發(fā)應用程序，構成了一種基于模型的開(kāi)放式運動(dòng)控制系統，不但使系統具有極好的人機交互性、直觀(guān)性和齊全的功能，而且縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本和硬件成本，為機器人走向社會(huì )奠定了基礎。
圖3 點(diǎn)動(dòng)運行模塊
圖4. 軌跡跟蹤模塊
（a） （b） 圖5 速度PI控制器加入前后的運動(dòng)特性比較
圖6 并聯(lián)機器人整體系統 （2）充分利用PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡的相關(guān)軟件函數和模塊，開(kāi)發(fā)了高精度的并聯(lián)機器人的多電機協(xié)調控制和雙電機同步控制。 （3）采用了用戶(hù)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(hù)界面和各模塊之間的實(shí)時(shí)切換；采用各種變量實(shí)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(dòng)態(tài)載入技術(shù)，實(shí)現了子VI的即調即用和多面板的動(dòng)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(shí)現了動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）和Windows API的調用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機器人運動(dòng)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。 作者：張建政 指導老師：上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院 高峰 趙現朝 NI公司供稿 |
