基于LabVIEW的嵌入式瞬態(tài)記錄分析儀的軟件設(shè)計(jì)

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(dòng)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(kāi)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(dòng)控制卡和功能完善的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(dòng)控制，而且節(jié)約了開(kāi)發(fā)周期、降低了系統(tǒng)成本、易于維護(hù)升級(jí)，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(chǎng)提供了保證。

本方案中，以LabVIEW為軟件平臺(tái)，以嵌入多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(PXI-7356)的PXI開(kāi)發(fā)平臺(tái)為硬件基礎(chǔ)，充分利用各種軟件模塊和工具包，快速開(kāi)發(fā)了滿足六維運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)和研制過(guò)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(dòng)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(kāi)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(hào)濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強(qiáng)電干擾的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(cè)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(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、系統(tǒng)不開(kāi)放維護(hù)和升級(jí)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(chǎng)的瓶頸。如何在較短的時(shí)間內(nèi)開(kāi)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(duì)象，以NI公司的系列軟硬件產(chǎn)品為基礎(chǔ)，依托國(guó)家自然基金(No. 30770538)的支持，快速開(kāi)發(fā)了此并聯(lián)機(jī)器人的開(kāi)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(dòng)由六個(gè)高精度的伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)，共18個(gè)I/O量。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(chǔ)，并且這些存儲(chǔ)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(dòng)器上，以產(chǎn)生用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流或電壓。考慮到系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)傳遞、精確同步以及I/O信號(hào)種類多的特點(diǎn)，我們首先選擇了PXI開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這是因?yàn)镻XI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(jí)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(dòng)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(dòng)實(shí)現(xiàn)空間六維運(yùn)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(zhuǎn)動(dòng))，因?yàn)槟┒似脚_(tái)要達(dá)到微米級(jí)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(dòng)控制卡。此多軸運(yùn)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(duì)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(duì)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(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(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(guò)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(dòng)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(dòng)控制卡及其配套的運(yùn)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(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(hào)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(dòng)控制卡及其配套模塊式適合本系統(tǒng)的要求，并選用。

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的復(fù)雜性使得軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中必須進(jìn)行合理有效的層面和模塊劃分。結(jié)合控制系統(tǒng)硬件和所要呈現(xiàn)的功能，本軟件劃分為應(yīng)用軟件層、核心軟件層和驅(qū)動(dòng)軟件層，每層根據(jù)功能要求又分為若干功能模塊。如圖2.

圖2. 軟件結(jié)構(gòu)與信息傳遞

應(yīng)用軟件層：考慮到系統(tǒng)操作過(guò)程中需要運(yùn)用一些開(kāi)關(guān)來(lái)控制電機(jī)或抱閘、一些接口來(lái)改變各電機(jī)或壓電陶瓷的運(yùn)行參數(shù)、一些指示燈來(lái)發(fā)出正?；驁?bào)警信號(hào)、一些軌跡曲線來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控各部分的運(yùn)行情況以及各界面之間的切換等功能，我們選用了最能體現(xiàn)虛擬儀器技術(shù)價(jià)值的LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言，編寫(xiě)了友好、方便、靈活的人機(jī)界面。程序的整體采用了主/從結(jié)構(gòu)的編程方式，主要是為了解決多個(gè)不同頻率的循環(huán)和循環(huán)之間的信息交互。程序中嵌入了并聯(lián)機(jī)器人的反解模型及控制算法，采用全局變量、局部變量、共享變量等實(shí)現(xiàn)各程序模塊之間及模塊內(nèi)部的信息交互，充分利用用戶事件技術(shù)、通知或隊(duì)列技術(shù)實(shí)現(xiàn)各界面之間的切換，為了避免諸如兩個(gè)循環(huán)同時(shí)操作一個(gè)對(duì)象之類的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，采用了同步技術(shù)。因?yàn)槌绦虮容^大，所要反映的信息多，因此在程序的管理上，我們也充分利用了LabVIEW的高級(jí)編程技巧，如為了節(jié)省內(nèi)存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動(dòng)態(tài)VI控制技術(shù)，不但實(shí)現(xiàn)了子VI的即用即調(diào)，而且實(shí)現(xiàn)了多面板程序設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)載入和界面重用。

核心軟件層：面向機(jī)器人的軌跡控制與I/O邏輯控制的程序集合，如回零點(diǎn)、連續(xù)運(yùn)行、單軸調(diào)整、軌跡曲線選擇、系統(tǒng)自檢等。該層軟件一方面負(fù)責(zé)完成機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的精確同步運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在操作空間中的精確軌跡;另一方面，該層軟件還需要完成一組通用I/O的輸入輸出控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程控制以及對(duì)外圍設(shè)備的協(xié)調(diào)控制等，以適應(yīng)復(fù)雜的控制任務(wù)需要。

驅(qū)動(dòng)軟件層：驅(qū)動(dòng)軟件是實(shí)現(xiàn)單軸與多軸運(yùn)動(dòng)控制、D/A轉(zhuǎn)換和硬件I/O控制的函數(shù)集合，包括軸配置、運(yùn)動(dòng)類型設(shè)置、電機(jī)運(yùn)行和停止等操作函數(shù)。該層軟件主要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)設(shè)置、電機(jī)加減速控制、起?？刂啤/A轉(zhuǎn)換和運(yùn)動(dòng)I/O的設(shè)置與控制等。該層的函數(shù)主要是控制板卡所帶有的底層功能模塊，可以用這些函數(shù)很方便的根據(jù)自己設(shè)定的控制方案編程實(shí)現(xiàn)上一級(jí)的核心控制軟件層。LabVIEW圖形化語(yǔ)言和LabVIEWRT、Control Design and Simulation Bundle、LabVIEWSystem identification toolkit, motion assistant等相關(guān)的NI工具包開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序不但使得軟件程序的開(kāi)發(fā)效率大大提高，而且使得軟件的功能齊全、人機(jī)界面友好。

系統(tǒng)整體特性與實(shí)驗(yàn)

本方案是并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中一種新型的系統(tǒng)組建方法，其出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)是縮短開(kāi)發(fā)周期、降低系統(tǒng)造價(jià)、提高系統(tǒng)特性、完善系統(tǒng)功能?；贚abVIEW和PXI平臺(tái)的6-DOF并聯(lián)機(jī)器人開(kāi)放式數(shù)字控制系統(tǒng)不需要從最低層進(jìn)行開(kāi)發(fā)，只需對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行配置并編寫(xiě)出用戶需要的特定功能程序即可，與以往的機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)相比，不僅大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)也非常方便，在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)此系統(tǒng)是性價(jià)比最高的。系統(tǒng)特性方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性、快速性和精確性上，25KHz—25.6MHz的編碼器反饋信號(hào)濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強(qiáng)電干擾的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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。下圖列出了幾個(gè)典型的模塊說(shuō)明了系統(tǒng)的一些技術(shù)特點(diǎn)和成熟的功能。圖3是點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行模塊，該模塊不僅具有6個(gè)軸中每軸的單軸點(diǎn)動(dòng)，而且根據(jù)機(jī)器人的構(gòu)型特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)需求設(shè)置了任何兩軸的雙軸點(diǎn)動(dòng);該模塊可以根據(jù)用戶不同的運(yùn)動(dòng)需求設(shè)置點(diǎn)動(dòng)步長(zhǎng)、速度、加減速的基數(shù)值及其倍率;該模塊能夠?qū)崟r(shí)顯示運(yùn)動(dòng)的位置和運(yùn)動(dòng)完成狀態(tài)，圖示顯示了軸1經(jīng)過(guò)幾個(gè)單軸點(diǎn)動(dòng)完成后的狀態(tài)。圖4為軌跡跟蹤模塊，該模塊不僅設(shè)置了預(yù)定軌跡的跟蹤也具有軌跡規(guī)劃的功能，并且能夠同時(shí)顯示六個(gè)軸的運(yùn)行情況，圖示為反映x向兩軸同步運(yùn)行的狀態(tài)。圖5為速度PID控制器加入前后同一余弦波的位置曲線運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的不同速度曲線特性，可見(jiàn)雙PID控制器能夠很大程度上改善其運(yùn)動(dòng)特性。圖6為并聯(lián)機(jī)器人整體系統(tǒng)。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人數(shù)控系統(tǒng)的其他特性不再一一贅述。

總結(jié)

本文課題內(nèi)容涉及虛擬儀器技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及諸多LabVIEW編程技巧，建立并完善了基于LabVIEW和PXI開(kāi)發(fā)平臺(tái)的“六自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)”，本系統(tǒng)具有高可靠性、高精度、高運(yùn)算速度、高智能化、友好的人機(jī)交互能力等特點(diǎn)。獨(dú)立開(kāi)展了一系列運(yùn)動(dòng)控制研究與應(yīng)用軟件編制工作，本系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

(1)將虛擬儀器拓展到并聯(lián)機(jī)器人的自動(dòng)控制領(lǐng)域，充分利用LabVIEW圖形化語(yǔ)言和LabVIEWRT, control design and Simulation Bundle、LabVIEWSystem identification Toolkit、Motion Assistant等相關(guān)的NI工具包開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，構(gòu)成了一種基于模型的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，不但使系統(tǒng)具有極好的人機(jī)交互性、直觀性和齊全的功能，而且縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本和硬件成本，為機(jī)器人走向社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。

圖3 點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行模塊

圖4. 軌跡跟蹤模塊

(a) (b)

圖5 速度PI控制器加入前后的運(yùn)動(dòng)特性比較

圖6 并聯(lián)機(jī)器人整體系統(tǒng)

(2)充分利用PXI-7356多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的相關(guān)軟件函數(shù)和模塊，開(kāi)發(fā)了高精度的并聯(lián)機(jī)器人的多電機(jī)協(xié)調(diào)控制和雙電機(jī)同步控制。

(3)采用了用戶事件技術(shù)、通知或隊(duì)列技術(shù)LabVIEW的高級(jí)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;采用各種變量實(shí)現(xiàn)不同模塊之間和相同模塊內(nèi)部的信息傳遞和共享;采用了VI的動(dòng)態(tài)載入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了子VI的即調(diào)即用和多面板的動(dòng)態(tài)載入及界面重用。

(4)充分利用LabVIEW強(qiáng)大的外部接口能力，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)和Windows API的調(diào)用，并嵌入了Matlab并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序，使程序不但具有Windows系統(tǒng)的拷貝、打印等功能，也使得復(fù)雜的計(jì)算更為快捷。