基于LabVIEW和PXI平臺(tái)的6-DOF并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的

應(yīng)用軟件層：考慮到系統(tǒng)操作過(guò)程中需要運(yùn)用一些開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)或抱閘、一些接口來(lái)改變各電機(jī)或壓電陶瓷的運(yùn)行參數(shù)、一些指示燈來(lái)發(fā)出正常或報(bào)警信號(hào)、一些軌跡曲線來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控各部分的運(yùn)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(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(jī)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(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(jī)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(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(hù)事件技術(shù)、通知或隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(duì)象之類(lèi)的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，采用了同步技術(shù)。因?yàn)槌绦虮容^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(jí)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(dòng)態(tài)VI控制技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了子VI的即用即調(diào)，而且實(shí)現(xiàn)了多面板程序設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)載入和界面重用。

核心軟件層：面向機(jī)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(xù)運(yùn)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(fù)責(zé)完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的精確同步運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程控制以及對(duì)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(dòng)軟件層：驅(qū)動(dòng)軟件是實(shí)現(xiàn)單軸與多軸運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)類(lèi)型設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行和停止等操作函數(shù)。該層軟件主要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)設(shè)置、電機(jī)加減速控制、起?？刂啤/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)上一級(jí)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(yīng)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(jī)界面友好。

系統(tǒng)整體特性與實(shí)驗(yàn)
本方案是并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中一種新型的系統(tǒng)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(tǒng)造價(jià)、提高系統(tǒng)特性、完善系統(tǒng)功能。基于LabVIEW和PXI平臺(tái)的6-DOF并聯(lián)機(jī)器人開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)不需要從最低層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，只需對(duì)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(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)相比，不僅大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)也非常方便，在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)此系統(tǒng)是性?xún)r(jià)比最高的。系統(tǒng)特性方面的優(yōu)勢(shì)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(hào)濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強(qiáng)電干擾的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定工作，6軸PID控制周期可以達(dá)到250μs使得實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般控制控制系統(tǒng)1ms的要求，機(jī)器人六軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)后的末端執(zhí)行器穩(wěn)態(tài)誤差可達(dá)1μm體現(xiàn)了系統(tǒng)精確的特性。下圖列出了幾個(gè)典型的模塊說(shuō)明了系統(tǒng)的一些技術(shù)特點(diǎn)和成熟的功能。圖3是點(diǎn)動(dòng)運(yùn)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(jù)機(jī)器人的構(gòu)型特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)需求設(shè)置了任何兩軸的雙軸點(diǎn)動(dòng)；該模塊可以根據(jù)用戶(hù)不同的運(yùn)動(dòng)需求設(shè)置點(diǎn)動(dòng)步長(zhǎng)、速度、加減速的基數(shù)值及其倍率；該模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)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(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(shí)顯示六個(gè)軸的運(yùn)行情況，圖示為反映x向兩軸同步運(yùn)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(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的不同速度曲線特性，可見(jiàn)雙PID控制器能夠很大程度上改善其運(yùn)動(dòng)特性。圖6為并聯(lián)機(jī)器人整體系統(tǒng)。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動(dòng)并聯(lián)機(jī)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(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)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(tái)的“六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)”，本系統(tǒng)具有高可靠性、高精度、高運(yùn)算速度、高智能化、友好的人機(jī)交互能力等特點(diǎn)。獨(dú)立開(kāi)展了一系列運(yùn)動(dòng)控制研究與應(yīng)用軟件編制工作，本系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：
（1）將虛擬儀器拓展到并聯(lián)機(jī)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(yīng)用程序，構(gòu)成了一種基于模型的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，不但使系統(tǒng)具有極好的人機(jī)交互性、直觀性和齊全的功能，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(jī)器人走向社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行模塊