基于LabVIEW和PXI平台的并联机器人控制系统的开发

应用方案：
以6-PPPS六自由度并联机器人为对象，以PXI-1042内嵌PXI-8186控制器为核心，采用PXI-7356多轴运动控制卡和UMI-7774接口板驱动6个伺服电机，采用多轴控制卡的配套软件和LabVIEW 8.0实现电机完全同步、并联机器人的多轴协调轨迹控制、轨迹曲线选择与显示等关键技术，采用PXI-6511数字输入卡实现操作按钮及状态指示等开关量控制，并利用PID软件包和RT模块的强大功能实现快速开发。软件开发上采用了用户事件技术、通知或队列技术等LabVIEW的高级编程技术，解决了各用户界面和各模块之间的实时切换；各种变量的应用则实现不同模块之间的信息传递和共享；VI动态载入技术，实现子VI的即调即用和多面板的动态载入及界面重用；充分利用LabVIEW强大的外部接口
能力，实现了动态链接库（DLL）和Windows API的调用，并嵌入了Matlab并联机器人运动学模型，使程序不但具有强大的功能，也使得复杂的计算更为快捷。

使用的产品：
PXI-1042 机箱、
PXI-8186 控制器、
PXI-7356 运动控制卡、
UMI-7774 通用运动控制接口、
PXI-6511 工业数字I/0卡、
LabVIEW 8.0、
LabVIEW RT(实时模块)、
Control Design and Simulation Bundle
Labview Control Design Toolkit
Labview System Identification Toolkit
Labview Simulation Interface
Toolkit
Labview Simulation Module
Motion Assistant

介绍：
并联机器人以其刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好等优点，不仅仅是当前机器人研究领域的热点，而且正逐渐走出实验室被工业界所认可。稳定、快速、准确的开放式数字控制系统是制约并联机器人发
展的瓶颈之一。其中实时性较强的多轴运动控制卡和功能完善的软件开发平台为其技术关键，应用NI公司的一系列软硬件产品不仅能够实现机器人的精确多轴运动控制，而且节约了开发周期、降低了系统成本、易于维护升级，特别是虚拟仪器技术的应用，使得系统能够有一个非常友好的人机交流界面。这些优点为多自由度并联机器人走向市场提供了保证。
本方案中，以LabVIEW为软件平台，以嵌入多轴运动控制卡（PXI-7356）的PXI开发平台为硬件基础，充分利用各种软件模块和工具包，快速开发了满足六维运动的6-DOF（Degree of Freedom）并联机器人控制系统。在本控制系统的开发和研制过程中实现了多电机同步、多轴协调轨迹控制、轨迹曲线实时显示与选择、面板的动态载入与重构、信息的调用与共享等功能。实验结果证明，应用NI公司系列产品不仅能够快速地开发出并联机器人的控制系统，提高系统的性价比；而且能得到比较完美的系统特性，如：25KHz—25.6MHz的编码器反馈信号滤波范围使得系统能够在强电干扰的工业现场的稳定工作，6轴PID控制周期可以达到250μs使得实时性远远高于一般控制控制系统1ms的要求，机器人六轴协调运动后的末端执行器稳态误差可达1μm体现了系统精确的特性。

研究背景：
并联机器人以其卓越的性能正在走出实验室，步入工业界和人们最为熟悉的日常生活中。早在1962年Gough and Whitehall就把并联机器人作为轮胎检测机。最近几十年中，并联机器人被用于飞行器模拟器、微操作机器人、手术机器人以及大型射电望远镜中的例子举不胜举。然而，此类并联机器人大多存在开发周期长、系统不开放维护和升级困难、造价高昂以及系统特性不完善等缺点，这也是制约并联机器人全面走向市场的瓶颈。如何在较短的时间内开发出系统特性好、成本低、功能齐全、界面友好的多自由度并联机器人控制系统是一项挑战性的工作。
本文以6-PPPS并联机器人为控制对象，以NI公司的系列软硬件产品为基础，依托国家自然基金（No. 30770538）的支持，快速开发了此并联机器人的开放式数字控制系统。[page]

系统总体的设计
本课题所研究的并联机器人的驱动由六个高精度的伺服电机及其驱动器承担，每一轴上都设有前限位、后限位及原点三个开关，共18个I/O量。电机驱动需要进行以位置反解为基础的轨迹规划，使机器人的末端执行器以一定的轨迹准确到达预定位置，并根据预先规划的轨迹进行工作，因此，并联机器人的轨迹规划和反解运算需要一个性能强大的计算器进行计算和存储，并且这些存储的数据实时地传送到作为下位机的控制卡和驱动器上，以产生用于驱动电机的电流或电压。考虑到系统需要大量的数据传递、精确同步以及I/O信号种类多的特点，我们首先选择了PXI开发平台，这是因为PXI不仅具有业内最高的总线带宽和最低的传输延迟，而且提供从DC到6.6 GHz RF的各种模块化的I/O。为了适应本系统进一步升级和后续模块的嵌入，我们选择了高性能的8槽机箱。控制器则采用内嵌2.2GHz Intel 奔腾4处理器的PXI-8186以满足机器人轨迹规划反解和数据分析的快速性。PXI-6511工业数字I/O接口板作为外围模块提供多达64路的隔离数字输入。至于机器人控制系统的软硬件具体设计和选型，我们将分别在下面逐一介绍。控制系统硬件之间的关系如图1.

  
 
图1.6-DOF并联机器人控制系统的各部分之间的关系

 
控制系统硬件设计
由于本并联机器人作为染色体切割装备系统的宏动子系统，肩负着除染色体最终切割以外的绝大部分任务，具有高的定位精度和大的工作空间要求。其基本机构是一6-PPPS解耦的空间六自由度并联机构，由六个高精度伺服电机驱动实现空间六维运动（X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Y、Z三个方向的转动），因为末端平台要达到微米级精度和六个电机的协调控制，所以我们选用了NI公司性能卓越的PXI-7356多轴运动控制卡。此多轴运动控制卡的缓存断点技术有效的提高了积分速度，对于一般的位置断点能够以2kHz的速率计算触发点，对于等距分布点则能够以高达4MHz的速率计算；此卡的两轴PID控制周期可以达到62.5μs,8轴PID控制周期可以达到250μs，实时性远远高于一般试验控制1ms的要求，如此高的计算效率适应了本系统的快速响应的特性。PXI-7356多轴运动控制卡的多轴同步时间小于一个采样周期；其位置精度较高，位置反馈时位置误差不超过正负一个正交码盘计数（quadrature count），模拟量反馈时应用其内置的8路16位模拟量输入采集功能，极大的提高了模数转换的分辨率，使其位置误差不超过一个最低有效位(LSB)，如此高的精度为系统高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多轴运动控制卡自身的安全标准、S曲线调节功能、双PID控制环以及多轴之间的电子齿轮配合能够为系统提供可靠的稳定性。PXI-7356多轴运动控制卡及其配套的运动控制接口UMI-7774端口板具有用来控制固态继电器和读取数字编/译码器的64位数字I/O，使得系统中诸如18路限位、12路使能及众多的报警等信号读取和输出更为方便快捷。鉴于以上考虑，我们认为NI公司的PXI-7356多轴运动控制卡及其配套模块式适合本系统的要求，并选用。

控制系统软件设计
控制系统的复杂性使得软件设计的过程中必须进行合理有效的层面和模块划分。结合控制系统硬件和所要呈现的功能，本软件划分为应用软件层、核心软件层和驱动软件层，每层根据功能要求又分为若干功能模块。如图2.

 
 
图2. 软件结构与信息传递[page]

系统总体的设计
本课题所研究的并联机器人的驱动由六个高精度的伺服电机及其驱动器承担，每一轴上都设有前限位、后限位及原点三个开关，共18个I/O量。电机驱动需要进行以位置反解为基础的轨迹规划，使机器人的末端执行器以一定的轨迹准确到达预定位置，并根据预先规划的轨迹进行工作，因此，并联机器人的轨迹规划和反解运算需要一个性能强大的计算器进行计算和存储，并且这些存储的数据实时地传送到作为下位机的控制卡和驱动器上，以产生用于驱动电机的电流或电压。考虑到系统需要大量的数据传递、精确同步以及I/O信号种类多的特点，我们首先选择了PXI开发平台，这是因为PXI不仅具有业内最高的总线带宽和最低的传输延迟，而且提供从DC到6.6 GHz RF的各种模块化的I/O。为了适应本系统进一步升级和后续模块的嵌入，我们选择了高性能的8槽机箱。控制器则采用内嵌2.2GHz Intel 奔腾4处理器的PXI-8186以满足机器人轨迹规划反解和数据分析的快速性。PXI-6511工业数字I/O接口板作为外围模块提供多达64路的隔离数字输入。至于机器人控制系统的软硬件具体设计和选型，我们将分别在下面逐一介绍。控制系统硬件之间的关系如图1.

  
 
图1.6-DOF并联机器人控制系统的各部分之间的关系

 
控制系统硬件设计
由于本并联机器人作为染色体切割装备系统的宏动子系统，肩负着除染色体最终切割以外的绝大部分任务，具有高的定位精度和大的工作空间要求。其基本机构是一6-PPPS解耦的空间六自由度并联机构，由六个高精度伺服电机驱动实现空间六维运动（X、Y、Z三个方向的移动和绕X、Y、Z三个方向的转动），因为末端平台要达到微米级精度和六个电机的协调控制，所以我们选用了NI公司性能卓越的PXI-7356多轴运动控制卡。此多轴运动控制卡的缓存断点技术有效的提高了积分速度，对于一般的位置断点能够以2kHz的速率计算触发点，对于等距分布点则能够以高达4MHz的速率计算；此卡的两轴PID控制周期可以达到62.5μs,8轴PID控制周期可以达到250μs，实时性远远高于一般试验控制1ms的要求，如此高的计算效率适应了本系统的快速响应的特性。PXI-7356多轴运动控制卡的多轴同步时间小于一个采样周期；其位置精度较高，位置反馈时位置误差不超过正负一个正交码盘计数（quadrature count），模拟量反馈时应用其内置的8路16位模拟量输入采集功能，极大的提高了模数转换的分辨率，使其位置误差不超过一个最低有效位(LSB)，如此高的精度为系统高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多轴运动控制卡自身的安全标准、S曲线调节功能、双PID控制环以及多轴之间的电子齿轮配合能够为系统提供可靠的稳定性。PXI-7356多轴运动控制卡及其配套的运动控制接口UMI-7774端口板具有用来控制固态继电器和读取数字编/译码器的64位数字I/O，使得系统中诸如18路限位、12路使能及众多的报警等信号读取和输出更为方便快捷。鉴于以上考虑，我们认为NI公司的PXI-7356多轴运动控制卡及其配套模块式适合本系统的要求，并选用。

控制系统软件设计
控制系统的复杂性使得软件设计的过程中必须进行合理有效的层面和模块划分。结合控制系统硬件和所要呈现的功能，本软件划分为应用软件层、核心软件层和驱动软件层，每层根据功能要求又分为若干功能模块。如图2.

 
 
图2. 软件结构与信息传递[page]

Figure 3. Jogging Module
 
图4. 轨迹跟踪模块
Figure 4. Track Tracing Module
      
（a） （b）

图5 速度PI控制器加入前后的运动特性比较
Figure 5. Comparison of Motion Characteristics Before and After PI Velocity Controller Application
 
图6 并联机器人整体系统
Figure 6. A Complete Parallel Robot System
（2）充分利用PXI-7356多轴运动控制卡的相关软件函数和模块，开发了高精度的并联机器人的多电机协调控制和双电机同步控制。
（3）采用了用户事件技术、通知或队列技术LabVIEW的高级编程技术，解决了各用户界面和各模块之间的实时切换；采用各种变量实现不同模块之间和相同模块内部的信息传递和共享；采用了VI的动态载入技术，实现了子VI的即调即用和多面板的动态载入及界面重用。
（4）充分利用LabVIEW强大的外部接口能力，实现了动态链接库（DLL）和Windows API的调用，并嵌入了Matlab并联机器人运动控制程序，使程序不但具有Windows系统的拷贝、打印等功能，也使得复杂的计算更为快捷。