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

應用軟件層：考慮到系統(tǒng)操作過程中需要運用一些開關來控制電機或抱閘、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?；驁缶盘枴⒁恍┸壽E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/從結構的編程方式，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部的信息交互，充分利用用戶事件技術、通知或隊列技術實現(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。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，不但實現(xiàn)了子VI的即用即調，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節(jié)驅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)對機構運動的過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需要。

驅動軟件層：驅動軟件是實現(xiàn)單軸與多軸運動控制、D/A轉換和硬件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；該模塊能夠實時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
本文課題內容涉及虛擬儀器技術、運動控制技術、機器人技術以及諸多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等相關的NI工具包開發(fā)應用程序，構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