基于LabVIEW的6-DOF并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)

　　控制系統(tǒng)軟件設計

　　控制系統(tǒng)的復雜性使得軟件設計的過程中必須進行合理有效的層面和模塊劃分。結合控制系統(tǒng)硬件和所要呈現的功能，本軟件劃分為應用軟件層、核心軟件層和驅動軟件層，每層根據功能要求又分為若干功能模塊。如圖2.

　　應用軟件層：考慮到系統(tǒng)操作過程中需要運用一些開關來控制電機或抱閘、一些接口來改變各電機或壓電陶瓷的運行參數、一些指示燈來發(fā)出正常或報警信號、一些軌跡曲線來實時監(jiān)控各部分的運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虛擬儀器技術價值的LabVIEW圖形化編程語言，編寫了友好、方便、靈活的人機界面。程序的整體采用了主/從結構的編程方式，主要是為了解決多個不同頻率的循環(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、共享變量等實現各程序模塊之間及模塊內部的信息交互，充分利用用戶事件技術、通知或隊列技術實現各界面之間的切換，為了避免諸如兩個循環(huán)同時操作一個對象之類的競爭問題，采用了同步技術。因為程序比較大，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的高級編程技巧，如為了節(jié)省內存和清晰化程序框架及前面板，我們采用了動態(tài) VI控制技術，不但實現了子VI的即用即調，而且實現了多面板程序設計的動態(tài)載入和界面重用。

　　核心軟件層：面向機器人的軌跡控制與I/O 邏輯控制的程序集合，如回零點、連續(xù)運行、單軸調整、軌跡曲線選擇、系統(tǒng)自檢等。該層軟件一方面負責完成機器人各關節(jié)驅動電機的精確同步運動控制，實現末端執(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，實現對機構運動的過程控制以及對外圍設備的協(xié)調控制等，以適應復雜的控制任務需要。

　　驅動軟件層：驅動軟件是實現單軸與多軸運動控制、D/A轉換和硬件I/O控制的函數集合，包括軸配置、運動類型設置、電機運行和停止等操作函數。該層軟件主要進行運動軸參數設置、電機加減速控制、起?？刂啤/A轉換和運動I/O的設置與控制等。該層的函數主要是控制板卡所帶有的底層功能模塊，可以用這些函數很方便的根據自己設定的控制方案編程實現上一級的核心控制軟件層。LabVIEW 圖形化語言和LabVIEW RT、Control Design and Simulation Bundle、Labview System identification toolkit, motion assistant等相關的NI工具包開發(fā)應用程序不但使得軟件程序的開發(fā)效率大大提高，而且使得軟件的功能齊全、人機界面友好。

　　系統(tǒng)整體特性與實驗

　　本方案是并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)設計領域中一種新型的系統(tǒng)組建方法，其出發(fā)點和落腳點是縮短開發(fā)周期、降低系統(tǒng)造價、提高系統(tǒng)特性、完善系統(tǒng)功能?；贚abVIEW和PXI平臺的6-DOF并聯(lián)機器人開放式數字控制系統(tǒng)不需要從最低層進行開發(fā)，只需對各個模塊進行配置并編寫出用戶需要的特定功能程序即可，與以往的機器人控制系統(tǒng)的開發(fā)相比，不僅大大縮短了開發(fā)周期，而且系統(tǒng)的升級和維護也非常方便，在這個意義上來說此系統(tǒng)是性價比最高的。系統(tǒng)特性方面的優(yōu)勢主要體現在穩(wěn)定性、快速性和精確性上，25KHz—25.6MHz的編碼器反饋信號濾波范圍使得系統(tǒng)能夠在強電干擾的工業(yè)現場的穩(wěn)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(tǒng)1ms的要求，機器人六軸協(xié)調運動后的末端執(zhí)行器穩(wěn)態(tài)誤差可達 1μm體現了系統(tǒng)精確的特性。下圖列出了幾個典型的模塊說明了系統(tǒng)的一些技術特點和成熟的功能。圖3是點動運行模塊，該模塊不僅具有6個軸中每軸的單軸點動，而且根據機器人的構型特點和運動需求設置了任何兩軸的雙軸點動；該模塊可以根據用戶不同的運動需求設置點動步長、速度、加減速的基數值及其倍率；該模塊能夠實時顯示運動的位置和運動完成狀態(tài)，圖示顯示了軸1經過幾個單軸點動完成后的狀態(tài)。圖4為軌跡跟蹤模塊，該模塊不僅設置了預定軌跡的跟蹤也具有軌跡規(guī)劃的功能，并且能夠同時顯示六個軸的運行情況，圖示為反映x向兩軸同步運行的狀態(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動所表現出的不同速度曲線特性，可見雙PID控制器能夠很大程度上改善其運動特性。圖6為并聯(lián)機器人整體系統(tǒng)。限于篇幅，此用于染色體切割裝置的宏動并聯(lián)機器人數控系統(tǒng)的其他特性不再一一贅述。