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

　　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(jī)界面友好的開(kāi)放式多自由度并聯(lián)機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)，不僅具有學(xué)術(shù)意義更具有實(shí)際意義。

　　應(yīng)用方案：

　　以6-PPPS六自由度并聯(lián)機(jī)器人為對(duì)象，以PXI-1042 內(nèi)嵌PXI-8186控制器為核心，采用PXI-7356多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和UMI-7774接口板驅(qū)動(dòng)6個(gè)伺服電機(jī)，采用多軸控制卡的配套軟件和 LabVIEW 8.0實(shí)現(xiàn)電機(jī)完全同步、并聯(lián)機(jī)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(shí)現(xiàn)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(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。軟件開(kāi)發(fā)上采用了用戶事件技術(shù)、通知或隊(duì)列技術(shù)等LabVIEW的高級(jí)編程技術(shù)，解決了各用戶界面和各模塊之間的實(shí)時(shí)切換；各種變量的應(yīng)用則實(shí)現(xiàn)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(xiàn)子VI的即調(diào)即用和多面板的動(dòng)態(tài)載入及界面重用；充分利用LabVIEW強(qiáng)大的外部接口能力，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）和Windows API的調(diào)用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使程序不但具有強(qiáng)大的功能，也使得復(fù)雜的計(jì)算更為快捷。

　　使用的產(chǎn)品：

PXI-1042 機(jī)箱、
PXI-8186 控制器、
PXI-7356 運(yùn)動(dòng)控制卡、
UMI-7774 通用運(yùn)動(dòng)控制接口、
PXI-6511 工業(yè)數(shù)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(jī)器人以其剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好等優(yōu)點(diǎn)，不僅僅是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)，而且正逐漸走出實(shí)驗(yàn)室被工業(yè)界所認(rèn)可。穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)確的開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)是制約并聯(lián)機(jī)器人發(fā)展的瓶頸之一。其中實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和功能完善的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(jī)器人的精確多軸運(yùn)動(dòng)控制，而且節(jié)約了開(kāi)發(fā)周期、降低了系統(tǒng)成本、易于維護(hù)升級(jí)，特別是虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)能夠有一個(gè)非常友好的人機(jī)交流界面。這些優(yōu)點(diǎn)為多自由度并聯(lián)機(jī)器人走向市場(chǎng)提供了保證。

　　本方案中，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，以嵌入多軸運(yùn)動(dòng)控制卡（PXI-7356）的PXI開(kāi)發(fā)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開(kāi)發(fā)了滿足六維運(yùn)動(dòng)的6-DOF（Degree of Freedom）并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)同步、多軸協(xié)調(diào)軌跡控制、軌跡曲線實(shí)時(shí)顯示與選擇、面板的動(dòng)態(tài)載入與重構(gòu)、信息的調(diào)用與共享等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，應(yīng)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(jī)器人的控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的性價(jià)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(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。

　　研究背景：

　　并聯(lián)機(jī)器人以其卓越的性能正在走出實(shí)驗(yàn)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(jī)器人作為輪胎檢測(cè)機(jī)。最近幾十年中，并聯(lián)機(jī)器人被用于飛行器模擬器、微操作機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人以及大型射電望遠(yuǎn)鏡中的例子舉不勝舉。然而，此類并聯(lián)機(jī)器人大多存在開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)不開(kāi)放維護(hù)和升級(jí)困難、造價(jià)高昂以及系統(tǒng)特性不完善等缺點(diǎn)，這也是制約并聯(lián)機(jī)器人全面走向市場(chǎng)的瓶頸。如何在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)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(jī)器人控制系統(tǒng)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作。

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