基于​LabVIEW​和​PXI​平台​的​6-​DOF​并联​机器​人​控制​系统​的​开发

 伟​军 张, 上海​交通​大学​机器​人​研究所

"通过​使用​LabVIEW​和​LabVIEW​实​时​模​块,​我们​构成​了​一种​基于​模型​的​开放​式​运动​控制​系统,​使​系统​具有​极好​的​人​机​交互​性、​直观​性​和​齐全​的​功能。​基于​LabVIEW​的​脉搏​信号​检测​与​分析​系统。" ​

- 伟​军 张, 上海​交通​大学​机器​人​研究所

挑战:

应用​成熟​的​NI​系列​产品​快速​构​建​一套​功能​完善、​性能优越、​人​机​界面​友好​的​开放​式​多​自由​度​并联​机器​人数​控​系统,​不仅​具有​学术​意义​更​具有​实际​意义。 ​

解决​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。

作者:

伟​军 张 - 上海​交通​大学​机器​人​研究所
​志成 万 - 上海​交通​大学​机器​人​研究所
​俊 陶 - 上海​交通​大学​机器​人​研究所
​Jianzheng Zhang - Shanghai Jiao Tong University, School of Mechanical Engineering

 

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。

 

 

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.

 

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.

 

应用​软件层:​考虑​到​系统​操作​过程​中​需要​运用​一些​开关​来​控制​电机​或​抱​闸、​一些​接口​来​改变​各​电机​或​压​电​陶瓷​的​运行​参数、​一些​指示​灯​来​发出​正常​或​报警​信号、​一些​轨迹​曲线​来​实​时​监​控​各​部分​的​运行​情况​以及​各​界面​之间​的​切换​等​功能,​我们​选用​了​最能​体现​虚拟​仪器​技术​价值​的​LabVIEW​图形​化​编​程​语言,​编写​了​友好、​方便、​灵活​的​人​机​界面。​程序​的​整体​采用​了​主/​从​结构​的​编​程​方式,​主要是​为了​解决​多个​不同​频率​的​循环​和​循环​之间​的​信息​交互。​程序​中​嵌入​了​并联​机器​人的​反​解​模型​及​控制​算法,​采用​全局​变量、​局部​变量、​共享​变量​等​实现​各​程序​模​块​之间​及​模​块​内部​的​信息​交互,​充分利用​用户​事件​技术、​通知​或​队列​技术​实现​各​界面​之间​的​切换,​为了​避免​诸如​两​个​循环​同时​操作​一个​对象​之类​的​竞争​问题,​采用​了​同步​技术。​因为​程序​比较​大,​所要​反映​的​信息​多,​因此​在​程序​的​管理​上,​我们​也​充分利用​了​LabVIEW​的​高级​编​程​技巧,​如​为了​节省​内存​和​清晰​化​程序​框架​及​前​面板,​我们​采用​了​动态​VI​控制​技术,​不但​实现​了​子​VI​的​即​用​即​调,​而且​实现​了​多​面板​程序​设计​的​动态​载入​和​界面​重用。

 

核心​软件层:​面向​机器​人的​轨迹​控制​与​I/​O​逻辑​控制​的​程序​集合,​如​回​零点、​连续​运行、​单​轴​调整、​轨迹​曲线​选择、​系统​自​检​等。​该​层​软件​一方面​负责​完成​机器​人​各​关节​驱动​电机​的​精确​同步​运动​控制,​实现​末端​执行​器​在​操作​空间​中的​精确​轨迹;​另一方面,​该​层​软件​还​需要​完成​一​组​通用​I/​O​的​输入​输出​控制,​实现​对​机构​运动​的​过程​控制​以及​对​外围​设备​的​协调​控制​等,​以​适应​复杂​的​控制​任务​需要。

 

驱动​软件层:​驱动​软件​是​实现​单​轴​与​多​轴​运动​控制、​D/​A​转换​和​硬件​I/​O​控制​的​函数​集合,​包括​轴​配置、​运动​类型​设置、​电机​运行​和​停止​等​操作​函数。​该​层​软件​主要​进行​运动​轴​参数​设置、​电机​加​减速​控制、​起​停​控制、​D/​A​转换​和​运动​I/​O​的​设置​与​控制​等。​该​层​的​函数​主要是​控制​板​卡​所​带有​的​底层​功能​模​块,​可以​用​这些​函数​很​方便​的​根据​自己​设定​的​控制​方案​编​程​实现​上​一​级​的​核心​控制​软件​层。​LabVIEW 图形​化​语言​和​LabVIEW RT、​Control Design and Simulation Bundle、​Labview System identification toolkit, motion assistant​等​相关​的​NI​工具​包​开发​应用​程序​不但​使得​软件​程序​的​开发​效率​大大​提高,​而且​使得​软件​的​功能​齐全、​人​机​界面​友好。

 

 

系统​整体​特性​与​实验

本​方案​是​并联​机器​人​控制​系统​设计​领域​中​一种​新型​的​系统​组​建​方法,​其​出发​点​和​落​脚​点​是​缩短​开发​周期、​降低​系统​造价、​提高​系统​特性、​完善​系统​功能。​基于​LabVIEW​和​PXI​平台​的​6-​DOF​并联​机器​人​开放​式​数字​控制​系统​不需要​从​最低​层​进行​开发,​只需​对​各个​模​块​进行​配置​并​编写​出​用户​需要​的​特定​功能​程序​即可,​与​以往​的​机器​人​控制​系统​的​开发​相比,​不仅​大大​缩短​了​开发​周期,​而且​系统​的​升级​和​维护​也​非常​方便,​在​这个​意义​上​来说​此​系统​是​性​价​比​最高​的。​系统​特性​方面​的​优势​主要​体现​在​稳定​性、​快速​性​和​精确​性​上,​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。​下​图​列出​了​几个​典型​的​模​块​说明​了​系统​的​一些​技术​特点​和​成熟​的​功能。​图​3​是​点​动​运行​模​块,​该​模​块​不仅​具有​6​个​轴​中​每​轴​的​单​轴​点​动,​而且​根据​机器​人的​构​型​特点​和​运动​需求​设置​了​任何​两​轴​的​双​轴​点​动;​该​模​块​可以​根据​用户​不同​的​运动​需求​设置​点​动​步​长、​速度、​加​减速​的​基​数值​及其​倍率;​该​模​块​能够​实​时​显示​运动​的​位置​和​运动​完成​状态,​图​示​显示​了​轴​1​经过​几个​单​轴​点​动​完成后​的​状态。​图​4​为​轨迹​跟踪​模​块,​该​模​块​不仅​设置​了​预定​轨迹​的​跟踪​也​具有​轨迹​规划​的​功能,​并且​能够​同时​显示​六​个​轴​的​运行​情况,​图​示​为​反映​x​向​两​轴​同步​运行​的​状态。​图​5​为​速度​PID​控制器​加入​前后​同一​余弦​波​的​位置​曲线​运动​所​表现​出​的​不同​速度​曲线​特性,​可见​双​PID​控制器​能够​很大程度上​改善​其​运动​特性。​图​6​为​并联​机器​人​整体​系统。​限于​篇幅,​此​用于​染色​体​切割​装置​的​宏​动​并联​机器​人数​控​系统​的​其他​特性​不再​一一​赘述。

 

总结

本文​课题​内容​涉及​虚拟​仪器​技术、​运动​控制​技术、​机器​人​技术​以及​诸​多​LabVIEW​编​程​技巧,​建立​并​完善​了​基于​LabVIEW​和​PXI​开发​平台​的“六​自由​度​并联​机器​人​控制​系统”,​本​系统​具有​高​可靠性、​高​精度、​高​运算​速度、​高​智能​化、​友好​的​人​机​交互​能力​等​特点。​独立​开展​了​一系列​运动​控制​研究​与​应用​软件​编制​工作,​本​系统​主要​特点​如下:

(1)​将​虚拟​仪器​拓展​到​并联​机器​人的​自动​控制​领域,​充分利用​LabVIEW 图形​化​语言​和​LabVIEW RT, control design and Simulation Bundle、​LabVIEW System identification Toolkit、​Motion Assistant​等​相关​的​NI​工具​包​开发​应用​程序,​构成​了​一种​基于​模型​的​开放​式​运动​控制​系统,​不但​使​系统​具有​极好​的​人​机​交互​性、​直观​性​和​齐全​的​功能,​而且​缩短​了​开发​周期,​降低​了​开发​成本​和​硬件​成本,​为​机器​人​走向​社会​奠定​了​基础。

(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。

 

 

作者​信息:

Jianzheng Zhang
​Shanghai Jiao Tong University, School of Mechanical Engineering
​Email: wxb@sjtu.edu.cn

 

作者​信息:

伟​军 张
​上海​交通​大学​机器​人​研究所

图​1. ​ ​6-​DOF​并联​机器​人​控制​系统​的​各​部分​之间​的​关系 ​
图​2. ​ ​软件​结构​与​信息​传递 ​
图​6. ​ ​并联​机器​人​整体​系统 ​