基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯機器人控制系統的

基于LabVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯機器人控制系統的開發
Study on the Control System of the 6-DOF Parallel Robot Based on LabVIEW and PXI Development Platform
作者：張建政
指導老師：高峰 趙現朝
上海交通大學機械與動力工程學院
應用領域：機器人運動控制
挑戰：應用成熟的NI系列產品快速構建一套功能完善、性能優越、人機界面友好的開放式多自由度并聯機器人數控系統，不僅具有學術意義更具有實際意義。

應用方案：
以6-PPPS六自由度并聯機器人為對象，以PXI-1042內嵌PXI-8186控制器為核心，采用PXI-7356多軸運動控制卡和UMI-7774接口板驅動6個伺服電機，采用多軸控制卡的配套軟件和LabVIEW 8.0實現電機完全同步、并聯機器人的多軸協調軌跡控制、軌跡曲線選擇與顯示等關鍵技術，采用PXI-6511數字輸入卡實現操作按鈕及狀態指示等開關量控制，并利用PID軟件包和RT模塊的強大功能實現快速開發。軟件開發上采用了用戶事件技術、通知或隊列技術等LabVIEW的高級編程技術，解決了各用戶界面和各模塊之間的實時切換；各種變量的應用則實現不同模塊之間的信息傳遞和共享；VI動態載入技術，實現子VI的即調即用和多面板的動態載入及界面重用；充分利用LabVIEW強大的外部接口
能力，實現了動態鏈接庫（DLL）和Windows API的調用，并嵌入了Matlab并聯機器人運動學模型，使程序不但具有強大的功能，也使得復雜的計算更為快捷。

使用的產品：
PXI-1042 機箱、
PXI-8186 控制器、
PXI-7356 運動控制卡、
UMI-7774 通用運動控制接口、
PXI-6511 工業數字I/0卡、
LabVIEW 8.0、
LabVIEW RT(實時模塊)、
Control Design and Simulation Bundle
Labview Control Design Toolkit
Labview System Identification Toolkit
Labview Simulation Interface
Toolkit
Labview Simulation Module
Motion Assistant

介紹：
并聯機器人以其剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好等優點，不僅僅是當前機器人研究領域的熱點，而且正逐漸走出實驗室被工業界所認可。穩定、快速、準確的開放式數字控制系統是制約并聯機器人發
展的瓶頸之一。其中實時性較強的多軸運動控制卡和功能完善的軟件開發平臺為其技術關鍵，應用NI公司的一系列軟硬件產品不僅能夠實現機器人的精確多軸運動控制，而且節約了開發周期、降低了系統成本、易于維護升級，特別是虛擬儀器技術的應用，使得系統能夠有一個非常友好的人機交流界面。這些優點為多自由度并聯機器人走向市場提供了保證。
本方案中，以LabVIEW為軟件平臺，以嵌入多軸運動控制卡（PXI-7356）的PXI開發平臺為硬件基礎，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開發了滿足六維運動的6-DOF（Degree of Freedom）并聯機器人控制系統。在本控制系統的開發和研制過程中實現了多電機同步、多軸協調軌跡控制、軌跡曲線實時顯示與選擇、面板的動態載入與重構、信息的調用與共享等功能。實驗結果證明，應用NI公司系列產品不僅能夠快速地開發出并聯機器人的控制系統，提高系統的性價比；而且能得到比較完美的系統特性，如：25KHz―25.6MHz的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統能夠在強電干擾的工業現場的穩定工作，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1ms的要求，機器人六軸協調運動后的末端執行器穩態誤差可達1μm體現了系統精確的特性。

研究背景：
并聯機器人以其卓越的性能正在走出實驗室，步入工業界和人們最為熟悉的日常生活中。早在1962年Gough and Whitehall就把并聯機器人作為輪胎檢測機。最近幾十年中，并聯機器人被用于飛行器模擬器、微操作機器人、手術機器人以及大型射電望遠鏡中的例子舉不勝舉。然而，此類并聯機器人大多存在開發周期長、系統不開放維護和升級困難、造價高昂以及系統特性不完善等缺點，這也是制約并聯機器人全面走向市場的瓶頸。如何在較短的時間內開發出系統特性好、成本低、功能齊全、界面友好的多自由度并聯機器人控制系統是一項挑戰性的工作。
本文以6-PPPS并聯機器人為控制對象，以NI公司的系列軟硬件產品為基礎，依托國家自然基金（No. 30770538）的支持，快速開發了此并聯機器人的開放式數字控制系統。