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)

　　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)。

　　系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)

　　本課題所研究的并聯(lián)機(jī)器人的驅(qū)動由六個(gè)高精度的伺服電機(jī)及其驅(qū)動器承擔(dān)，每一軸上都設(shè)有前限位、后限位及原點(diǎn)三個(gè)開關(guān)，共18個(gè)I/O量。電機(jī)驅(qū)動需要進(jìn)行以位置反解為基礎(chǔ)的軌跡規(guī)劃，使機(jī)器人的末端執(zhí)行器以一定的軌跡準(zhǔn)確到達(dá)預(yù)定位置，并根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的軌跡進(jìn)行工作，因此，并聯(lián)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和反解運(yùn)算需要一個(gè)性能強(qiáng)大的計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算和存儲，并且這些存儲的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到作為下位機(jī)的控制卡和驅(qū)動器上，以產(chǎn)生用于驅(qū)動電機(jī)的電流或電壓?？紤]到系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)傳遞、精確同步以及I/O信號種類多的特點(diǎn)，我們首先選擇了PXI開發(fā)平臺，這是因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/PXI">PXI不僅具有業(yè)內(nèi)最高的總線帶寬和最低的傳輸延遲，而且提供從DC到6.6 GHz RF的各種模塊化的I/O。為了適應(yīng)本系統(tǒng)進(jìn)一步升級和后續(xù)模塊的嵌入，我們選擇了高性能的8槽機(jī)箱。控制器則采用內(nèi)嵌2.2GHz Intel 奔騰4處理器的PXI-8186以滿足機(jī)器人軌跡規(guī)劃反解和數(shù)據(jù)分析的快速性。PXI-6511工業(yè)數(shù)字I/O接口板作為外圍模塊提供多達(dá)64路的隔離數(shù)字輸入。至于機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟硬件具體設(shè)計(jì)和選型，我們將分別在下面逐一介紹?？刂葡到y(tǒng)硬件之間的關(guān)系如圖1.

圖1.6-DOF并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)的各部分之間的關(guān)系

　　控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　由于本并聯(lián)機(jī)器人作為染色體切割裝備系統(tǒng)的宏動子系統(tǒng)，肩負(fù)著除染色體最終切割以外的絕大部分任務(wù)，具有高的定位精度和大的工作空間要求。其基本機(jī)構(gòu)是一6-PPPS解耦的空間六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由六個(gè)高精度伺服電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)空間六維運(yùn)動(X、Y、Z三個(gè)方向的移動和繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動)，因?yàn)槟┒似脚_要達(dá)到微米級精度和六個(gè)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制，所以我們選用了NI公司性能卓越的PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡。此多軸運(yùn)動控制卡的緩存斷點(diǎn)技術(shù)有效的提高了積分速度，對于一般的位置斷點(diǎn)能夠以2kHz的速率計(jì)算觸發(fā)點(diǎn)，對于等距分布點(diǎn)則能夠以高達(dá)4MHz的速率計(jì)算;此卡的兩軸PID控制周期可以達(dá)到62.5μs,8軸PID控制周期可以達(dá)到250μs，實(shí)時(shí)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般試驗(yàn)控制1ms的要求，如此高的計(jì)算效率適應(yīng)了本系統(tǒng)的快速響應(yīng)的特性。PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡的多軸同步時(shí)間小于一個(gè)采樣周期;其位置精度較高，位置反饋時(shí)位置誤差不超過正負(fù)一個(gè)正交碼盤計(jì)數(shù)(quadrature count)，模擬量反饋時(shí)應(yīng)用其內(nèi)置的8路16位模擬量輸入采集功能，極大的提高了模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率，使其位置誤差不超過一個(gè)最低有效位(LSB)，如此高的精度為系統(tǒng)高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡自身的安全標(biāo)準(zhǔn)、S曲線調(diào)節(jié)功能、雙PID控制環(huán)以及多軸之間的電子齒輪配合能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性。PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡及其配套的運(yùn)動控制接口UMI-7774端口板具有用來控制固態(tài)繼電器和讀取數(shù)字編/譯碼器的64位數(shù)字I/O，使得系統(tǒng)中諸如18路限位、12路使能及眾多的報(bào)警等信號讀取和輸出更為方便快捷。鑒于以上考慮，我們認(rèn)為NI公司的PXI-7356多軸運(yùn)動控制卡及其配套模塊式適合本系統(tǒng)的要求，并選用。