基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人控制系統的開(kāi)發(fā)

　　研究背景：

　　并聯(lián)機器人以其卓越的性能正在走出實(shí)驗室，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)機器人作為輪胎檢測機。最近幾十年中，并聯(lián)機器人被用于飛行器模擬器、微操作機器人、手術(shù)機器人以及大型射電望遠鏡中的例子舉不勝舉。然而，此類(lèi)并聯(lián)機器人大多存在開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、系統不開(kāi)放維護和升級困難、造價(jià)高昂以及系統特性不完善等缺點(diǎn)，這也是制約并聯(lián)機器人全面走向市場(chǎng)的瓶頸。如何在較短的時(shí)間內開(kāi)發(fā)出系統特性好、成本低、功能齊全、界面友好的多自由度并聯(lián)機器人控制系統是一項挑戰性的工作。

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

　　系統總體的設計

　　本課題所研究的并聯(lián)機器人的驅動(dòng)由六個(gè)高精度的伺服電機及其驅動(dòng)器承擔，每一軸上都設有前限位、后限位及原點(diǎn)三個(gè)開(kāi)關(guān)，共18個(gè)I/O量。電機驅動(dòng)需要進(jìn)行以位置反解為基礎的軌跡規劃，使機器人的末端執行器以一定的軌跡準確到達預定位置，并根據預先規劃的軌跡進(jìn)行工作，因此，并聯(lián)機器人的軌跡規劃和反解運算需要一個(gè)性能強大的計算器進(jìn)行計算和存儲，并且這些存儲的數據實(shí)時(shí)地傳送到作為下位機的控制卡和驅動(dòng)器上，以產(chǎn)生用于驅動(dòng)電機的電流或電壓?？紤]到系統需要大量的數據傳遞、精確同步以及I/O信號種類(lèi)多的特點(diǎn)，我們首先選擇了PXI開(kāi)發(fā)平臺，這是因為PXI不僅具有業(yè)內最高的總線(xiàn)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。為了適應本系統進(jìn)一步升級和后續模塊的嵌入，我們選擇了高性能的8槽機箱?？刂破鲃t采用內嵌2.2GHz Intel 奔騰4處理器的PXI-8186以滿(mǎn)足機器人軌跡規劃反解和數據分析的快速性。PXI-6511工業(yè)數字I/O接口板作為外圍模塊提供多達64路的隔離數字輸入。至于機器人控制系統的軟硬件具體設計和選型，我們將分別在下面逐一介紹?？刂葡到y硬件之間的關(guān)系如圖1.

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

　　控制系統硬件設計

　　由于本并聯(lián)機器人作為染色體切割裝備系統的宏動(dòng)子系統，肩負著(zhù)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。其基本機構是一6-PPPS解耦的空間六自由度并聯(lián)機構，由六個(gè)高精度伺服電機驅動(dòng)實(shí)現空間六維運動(dòng)(X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)和繞X、Y、Z三個(gè)方向的轉動(dòng))，因為末端平臺要達到微米級精度和六個(gè)電機的協(xié)調控制，所以我們選用了NI公司性能卓越的PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡。此多軸運動(dòng)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的速率計算觸發(fā)點(diǎn)，對于等距分布點(diǎn)則能夠以高達4MHz的速率計算;此卡的兩軸PID控制周期可以達到62.5μs,8軸PID控制周期可以達到250μs，實(shí)時(shí)性遠遠高于一般試驗控制1ms的要求，如此高的計算效率適應了本系統的快速響應的特性。PXI-7356多軸運動(dòng)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(guò)正負一個(gè)正交碼盤(pán)計數(quadrature count)，模擬量反饋時(shí)應用其內置的8路16位模擬量輸入采集功能，極大的提高了模數轉換的分辨率，使其位置誤差不超過(guò)一個(gè)最低有效位(LSB)，如此高的精度為系統高精度的要求提供了很好的保障。另外，PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡自身的安全標準、S曲線(xiàn)調節功能、雙PID控制環(huán)以及多軸之間的電子齒輪配合能夠為系統提供可靠的穩定性。PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡及其配套的運動(dòng)控制接口UMI-7774端口板具有用來(lái)控制固態(tài)繼電器和讀取數字編/譯碼器的64位數字I/O，使得系統中諸如18路限位、12路使能及眾多的報警等信號讀取和輸出更為方便快捷。鑒于以上考慮，我們認為NI公司的PXI-7356多軸運動(dòng)控制卡及其配套模塊式適合本系統的要求，并選用。