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(fā)了此并聯機器人的開放式數字控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)總體的設計
本課題所研究的并聯機器人的驅動由六個高精度的伺服電機及其驅動器承擔，每一軸上都設有前限位、后限位及原點三個開關，共18個I/O量。電機驅動需要進行以位置反解為基礎的軌跡規(guī)劃，使機器人的末端執(zhí)行器以一定的軌跡準確到達預定位置，并根據預先規(guī)劃的軌跡進行工作，因此，并聯機器人的軌跡規(guī)劃和反解運算需要一個性能強大的計算器進行計算和存儲，并且這些存儲的數據實時地傳送到作為下位機的控制卡和驅動器上，以產生用于驅動電機的電流或電壓?？紤]到系統(tǒng)需要大量的數據傳遞、精確同步以及I/O信號種類多的特點，我們首先選擇了PXI開發(fā)平臺，這是因為PXI不僅具有業(yè)內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。為了適應本系統(tǒng)進一步升級和后續(xù)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以滿足機器人軌跡規(guī)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(tǒng)的軟硬件具體設計和選型，我們將分別在下面逐一介紹。控制系統(tǒng)硬件之間的關系如圖1.
圖1.6-DOF并聯機器人控制系統(tǒng)的各部分之間的關系
控制系統(tǒng)硬件設計
由于本并聯機器人作為染色體切割裝備系統(tǒng)的宏動子系統(tǒng)，肩負著除染色體最終切割以外的絕大部分任務，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機構，由六個高精度伺服電機驅動實現空間六維運動（X、Y、Z三個方向的移動和繞X、Y、Z三個方向的轉動），因為末端平臺要達到微米級精度和六個電機的協調控制，所以我們選用了NI公司性能卓越的PXI-7356多軸運動控制卡。此多軸運動控制卡的緩存斷點技術有效的提高了積分速度，對于一般的位置斷點能夠以2kHz的速率計算觸發(fā)點，對于等距分布點則能夠以高達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，實時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(tǒng)的快速響應的特性。PXI-7356多軸運動控制卡的多軸同步時間小于一個采樣周期；其位置精度較高，位置反饋時位置誤差不超過正負一個正交碼盤計數（quadrature count），模擬量反饋時應用其內置的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一個最低有效位(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多軸運動控制卡自身的安全標準、S曲線調節(jié)功能、雙PID控制環(huán)以及多軸之間的電子齒輪配合能夠為系統(tǒng)提供可靠的穩(wěn)定性。PXI-7356多軸運動控制卡及其配套的運動控制接口UMI-7774端口板具有用來控制固態(tài)繼電器和讀取數字編/譯碼器的64位數字I/O，使得系統(tǒng)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?；驁缶盘枴⒁恍┸壽E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。