基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)
Study on the Control System of the 6-DOF Parallel Robot Based on LabVIEW and PXI Development Platform
作者：張建政
指導(dǎo)老師：高峰 趙現(xiàn)朝
上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院
應(yīng)用領(lǐng)域：機(jī)器人運(yùn)動控制
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)器人為對象，以PXI-1042內(nèi)嵌PXI-8186控制器為核心，采用PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡和UMI-7774接口板驅(qū)動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)快速開發(fā)。軟件開發(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)了動態(tài)鏈接庫（DLL）和Windows API的調(diào)用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(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)動控制卡、
UMI-7774 通用運(yùn)動控制接口、
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)動控制卡和功能完善的軟件開發(fā)平臺為其技術(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)動控制，而且節(jié)約了開發(fā)周期、降低了系統(tǒng)成本、易于維護(hù)升級，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)器人走向市場提供了保證。
本方案中，以LabVIEW為軟件平臺，以嵌入多軸運(yùn)動控制卡（PXI-7356）的PXI開發(fā)平臺為硬件基礎(chǔ)，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開發(fā)了滿足六維運(yùn)動的6-DOF（Degree of Freedom）并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)。在本控制系統(tǒng)的開發(fā)和研制過程中實(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的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強(qiáng)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(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)器人大多存在開發(fā)周期長、系統(tǒng)不開放維護(hù)和升級困難、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)器人全面走向市場的瓶頸。如何在較短的時(shí)間內(nèi)開發(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)器人為控制對象，以NI公司的系列軟硬件產(chǎn)品為基礎(chǔ)，依托國家自然基金（No. 30770538）的支持，快速開發(fā)了此并聯(lián)機(jī)器人的開放式數(shù)字控制系統(tǒng)。