6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)開放式控制系統(tǒng)的研究

梁順攀，竇玉超，趙永生＋

（1.燕山大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島066004；2.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

0 引 言

與串聯(lián)機(jī)構(gòu)不同，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)在笛卡爾坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)與各運(yùn)動(dòng)分支之間是復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，控制模型復(fù)雜。因此通用的控制系統(tǒng)不適用于在并聯(lián)機(jī)構(gòu)上直接應(yīng)用，必須針對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的具體情況進(jìn)行開發(fā)。目前國內(nèi)外并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)大多數(shù)都存在功能過于集中、耦合度高、可擴(kuò)展性差、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。采用開放式體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)是新一代控制器的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外較著名的開放式控制系統(tǒng)有歐共體提出的OSACA，美國提出的OMAC計(jì)劃，日本的OSEC，清華的OCSIA等等［1］。但這些系統(tǒng)在其功能實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)建模方面仍有很多不足。為了滿足6－PUS／UPU冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)面向多用戶、多用途、高柔性的任務(wù)需求，結(jié)合面向服務(wù)的思想以及模型－視圖－控制的開發(fā)模式，提出了一種基于SOA／MVC的開放式控制系統(tǒng)架構(gòu)。并根據(jù)該架構(gòu)開發(fā)了6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的柔性和開放性。該框架是一個(gè)具有靈活擴(kuò)展、按需定制、易于整合的技術(shù)平臺(tái)。

1 SOA／MVC控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)簡介

6－PUS／UPU 是一種新型冗余驅(qū)動(dòng) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)［2－4］。如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由定平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支PUS和一個(gè)約束分支UPU組成。由于中間UPU約束分支約束了動(dòng)平臺(tái)的一個(gè)自由度，因此動(dòng)平臺(tái)只能實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，但是該機(jī)器人共有6個(gè)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)該機(jī)器人是冗余驅(qū)動(dòng)的。該機(jī)構(gòu)的6個(gè)PUS分支均依次由1個(gè)P副 （移動(dòng)副），1個(gè)U副 （虎克鉸），1個(gè)S副 （球副）連接而成，中間UPU約束分支則由2個(gè)U副和1個(gè)P副組成。中間分支與動(dòng)平臺(tái)連接的虎克鉸，是由一個(gè)球鉸 （S副）和一個(gè)固定軸承蓋組合而成。當(dāng)拆除這個(gè)固定用的軸承蓋，則中間支路為UPS，此時(shí)中間支路對(duì)動(dòng)平臺(tái)不起約束作用，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)成為一個(gè)6自由度的Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

圖1 6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)通過中間約束分支的變換實(shí)現(xiàn)冗余和非冗余模式的切換，在冗余驅(qū)動(dòng)模式下，該機(jī)構(gòu)還具有變自由度的特點(diǎn)。該機(jī)構(gòu)為研究空間冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人提供了很好的平臺(tái)，也可作為多任務(wù)、多構(gòu)型的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的測控理論研究和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1.2 控制系統(tǒng)需求分析

從功能需求分析的角度看，6－PUS／UPU機(jī)器人主要作為一個(gè)機(jī)電一體化多功能測控平臺(tái)，機(jī)械本體可以衍變成多種構(gòu)型有：一般并聯(lián)機(jī)構(gòu) （如6－PUS），少自由度機(jī)構(gòu)（如5－PUS／UPU）和冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) （如6－PUS／UPU）等；機(jī)構(gòu)的工作任務(wù)多變，主要的研究任務(wù)包括：冗余驅(qū)動(dòng)、少自由度、完全自由度、力／位混合控制、曲面跟蹤、網(wǎng)絡(luò)控制研究等等。

從使用的人員來看，不同的用戶以及不同的任務(wù)都帶來個(gè)性化的需求。比如基于個(gè)人智能終端的網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用中，用戶則希望在客戶端能提供簡單、便捷的配置，并希望能在原系統(tǒng)中添加一些新功能。這都需要在系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，充分考慮用戶的現(xiàn)在需求、預(yù)計(jì)其未來的需求，從而提高軟件的可配置性、靈活性。

此外，傳統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)模式采用B／S／D三層結(jié)構(gòu)。在這種模式中，核心層是處在中間的服務(wù)器，無論是用戶交互的界面，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理的功能模塊，對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問的模塊均集成在服務(wù)器端。這導(dǎo)致服務(wù)器端過度膨大，模塊之間耦合性高，導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低、代碼維護(hù)困難、安全性差等缺點(diǎn)的出現(xiàn)。同時(shí)，也不利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。

從數(shù)據(jù)需求分析的角度來看，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要包括：實(shí)時(shí)性強(qiáng)的控制信號(hào)、PMAC的運(yùn)動(dòng)控制程序、各部件的設(shè)置參數(shù)、傳感器的實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)、用戶信息、用戶指令和日志記錄信息等。這些數(shù)據(jù)有些需要進(jìn)行保存，有些則只用于過程控制或顯示；數(shù)據(jù)的大小變化幅度大；數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性需求也不同。

如按照傳統(tǒng)的定制模式進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)，則該系統(tǒng)將非常膨大、部署復(fù)雜、耦合度高不易擴(kuò)展，且難以實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，無法滿足教學(xué)、研究和應(yīng)用需求。隨著并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究的深入、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，這種開發(fā)已經(jīng)成為制約并聯(lián)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。

1.3 控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了一種基于組件技術(shù)，將組件技術(shù)的獨(dú)立性和靈活性、SOA的可重構(gòu)性、MVC的邏輯與顯示的隔離性應(yīng)用于控制系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，可開發(fā)出更開放的、高柔性的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

控制系統(tǒng)主要由下面三部分組成：視圖層、控制層、模型層。系統(tǒng)可以劃分為5個(gè)子層：應(yīng)用子層、服務(wù)總線子層、服務(wù)模塊子層、驅(qū)動(dòng)子層、設(shè)備子層。

參考一些經(jīng)典構(gòu)架方案［5－7］，在設(shè)計(jì)模型層時(shí)，將其分為驅(qū)動(dòng)子層和設(shè)備子層。當(dāng)硬件設(shè)備進(jìn)行更新或者替換時(shí)，只需要在驅(qū)動(dòng)器子層按照相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并且讓驅(qū)動(dòng)管理器進(jìn)行重新加載即可，避免了對(duì)上一層的影響。控制層則劃分為服務(wù)總線子層和服務(wù)模塊子層。各個(gè)封裝好的功能模塊作為組件放置在服務(wù)模塊子層，而服務(wù)總線子層則負(fù)責(zé)服務(wù)模塊的管理和注冊，并向上一層提供服務(wù)。根據(jù)SOA的觀點(diǎn)，可把模型層視作底層服務(wù)的 “提供者”，控制層調(diào)用這些底層服務(wù)以便上層的視圖層提供更高層次邏輯的功能，而視圖層則向用戶提供服務(wù)。

2 開放式的模型層

圖2 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

模型層包含了驅(qū)動(dòng)子層、設(shè)備子層。模型層是控制系統(tǒng)的主要被控制對(duì)象，向上層提供了服務(wù)的接口。設(shè)備子層主要包括了被控制的各種物理對(duì)象、虛擬樣機(jī)以及相關(guān)數(shù)據(jù)。驅(qū)動(dòng)子層負(fù)責(zé)各種被控對(duì)象的驅(qū)動(dòng)程序及對(duì)其的管理。

根據(jù)開放式控制系統(tǒng)的主要思想和特征［8］，為了保證6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的硬件具有互換性、模塊化、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，設(shè)備子層必須是開放的；同時(shí)為了向上一層提供服務(wù)，需要利用驅(qū)動(dòng)子層來封裝底層的設(shè)備的多樣性。

2.1 驅(qū)動(dòng)子層

驅(qū)動(dòng)子層主要有下面三部分組成：服務(wù)接口、驅(qū)動(dòng)管理器和各種驅(qū)動(dòng)程序。

驅(qū)動(dòng)管理器是驅(qū)動(dòng)子層的管理層，作用于服務(wù)接口和驅(qū)動(dòng)程序之間，其跟蹤可用的驅(qū)動(dòng)程序，并在樣機(jī)、數(shù)據(jù)庫等各種設(shè)備和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序之間建立連接。

模型層通過服務(wù)接口向上一層提供服務(wù)。上一層通過服務(wù)接口操作機(jī)器人、虛擬樣機(jī)和數(shù)據(jù)庫。

驅(qū)動(dòng)程序包括運(yùn)動(dòng)控制卡、各種接口卡；聯(lián)合仿真軟件所需的接口設(shè)置參數(shù)和調(diào)用指令；各種數(shù)據(jù)庫的驅(qū)動(dòng)程序等。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒆陨砑虞d到驅(qū)動(dòng)管理器中去，并處理相應(yīng)的請求并建立與相應(yīng)設(shè)備的連接。

2.2 設(shè)備子層

設(shè)備子層和具體設(shè)備相關(guān)。根據(jù)任務(wù)需要不同、應(yīng)用場合不同，可以添加所需的傳感器、PLC設(shè)備、伺服設(shè)備等多種類型設(shè)備。本系統(tǒng)將樣機(jī)、虛擬樣機(jī)和數(shù)據(jù)庫都看成是被控制的對(duì)象同處在設(shè)備子層。虛擬樣機(jī)在ADAMS和MATLAB仿真軟件里建立；數(shù)據(jù)庫則由數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理，數(shù)據(jù)庫存放用戶信息、系統(tǒng)參數(shù)、日志信息等內(nèi)容，其中最核心的是樣機(jī)。其硬件結(jié)構(gòu)采用 “IPC＋運(yùn)動(dòng)控制卡”控制模式，如圖3所示。

在 “IPC＋運(yùn)動(dòng)控制卡”模式中，工控機(jī)為上位機(jī)，負(fù)責(zé)軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)、任務(wù)調(diào)度等，是數(shù)控系統(tǒng)的核心部分；運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部包含位置控制器、速度控制器，力矩控制器等，負(fù)責(zé)各個(gè)電機(jī)精細(xì)運(yùn)動(dòng)指令生成、各個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)等；電氣部分主要有驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、繼電器等，該部分將運(yùn)動(dòng)控制卡生成的指令轉(zhuǎn)為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由電機(jī)的光電編碼器測得的位置信息、轉(zhuǎn)速信息等反饋給運(yùn)動(dòng)控制卡；機(jī)械傳動(dòng)部分采用高精密滾珠絲杠，通過絲杠上滑塊的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)各個(gè)分支的運(yùn)動(dòng)；在每個(gè)滾軸絲杠基座上安裝光柵尺，滑塊安裝讀寫頭，通過讀寫頭將每個(gè)分支的位置信息、速度信息反饋到運(yùn)動(dòng)控制卡，再通過運(yùn)動(dòng)控制卡反饋到工控機(jī)上。

因此，“IPC＋運(yùn)動(dòng)控制卡”方案既可以利用工控機(jī)的高性能來實(shí)施多種復(fù)雜的控制及解決各分支的同步協(xié)調(diào)問題，又可利用PMAC的高實(shí)時(shí)性來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制。

3 模塊化的控制層

控制層主要包括服務(wù)總線子層和服務(wù)模塊子層。在整個(gè)控制系統(tǒng)中，控制層處在中間，是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐部分，控制層負(fù)責(zé)向視圖層提供服務(wù)，同時(shí)控制層也要使用模型層的服務(wù)。其中服務(wù)總線子層負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)度，服務(wù)模塊子層則由完成具體任務(wù)的功能模塊所組成。

該開發(fā)模式能有效降低功能模塊與模塊調(diào)度等管理邏輯之間的耦合程度，使得開發(fā)人員可以在已建成的核心模塊基礎(chǔ)上根據(jù)新的任務(wù)需求迅速地添加新的功能模塊，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能定制和擴(kuò)展，滿足不同用戶的不同需求。

3.1 服務(wù)總線子層

圖3 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

服務(wù)總線子層是整個(gè)系統(tǒng)的中心構(gòu)件。在SOA架構(gòu)中，服務(wù)總線子層是整個(gè)架構(gòu)的控制樞紐。通過服務(wù)總線子層屏蔽了各服務(wù)模塊的細(xì)節(jié)、管理和調(diào)用關(guān)系，對(duì)外提供了更高邏輯層面的服務(wù)。

服務(wù)總線子層負(fù)責(zé)接收上一層的服務(wù)請求，自動(dòng)完成服務(wù)流程的處理，并將這些服務(wù)請求進(jìn)行解耦；負(fù)責(zé)注冊、登記各服務(wù)模塊的相關(guān)信息，并對(duì)其進(jìn)行管理；將解耦的服務(wù)請求和已登記的服務(wù)模塊進(jìn)行匹配，在匹配的兩者間建立連接通道，并監(jiān)控服務(wù)的狀態(tài)。服務(wù)總線子層的核心模塊包括業(yè)務(wù)邏輯處理模塊、服務(wù)調(diào)度模塊、服務(wù)狀態(tài)管理模塊、總線管理模塊與服務(wù)接口模塊等。

（1）業(yè)務(wù)邏輯處理模塊，它是服務(wù)總線子層中最核心的功能模塊。負(fù)責(zé)解耦服務(wù)請求；匹配服務(wù)請求和服務(wù)提供方；負(fù)責(zé)服務(wù)邏輯業(yè)務(wù)的組織；負(fù)責(zé)各個(gè)服務(wù)模塊之間通信和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊實(shí)現(xiàn)了服務(wù)請求方與服務(wù)提供者之間的屏蔽，將服務(wù)請求者從具體繁瑣的任務(wù)執(zhí)行過程中解脫出來，一切中間過程均交給了服務(wù)總線子層自動(dòng)完成。

（2）服務(wù)調(diào)度模塊，根據(jù)服務(wù)請求方的具體任務(wù)需求，實(shí)時(shí)調(diào)用服務(wù)模塊子層中的服務(wù)模塊。此外，該模塊還負(fù)責(zé)為服務(wù)模塊的運(yùn)行分配所需的CPU、內(nèi)存等資源，以保證服務(wù)請求在允許的時(shí)間內(nèi)完成，從而提供服務(wù)的質(zhì)量。

（3）服務(wù)狀態(tài)管理模塊，負(fù)責(zé)監(jiān)控、管理系統(tǒng)中正在被調(diào)用的各個(gè)服務(wù)組件的狀態(tài)。服務(wù)組件的狀態(tài)主要有啟動(dòng)、報(bào)錯(cuò)、等待、終止等。服務(wù)組件在服務(wù)狀態(tài)管理模塊監(jiān)管下，根據(jù)服務(wù)流程和服務(wù)需要在上述的狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

（4）總線管理模塊，其主要根據(jù)各個(gè)服務(wù)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度任務(wù)運(yùn)行；控制指令的驗(yàn)證及執(zhí)行；總線對(duì)各服務(wù)的檢錯(cuò)容錯(cuò)；總線的自我檢錯(cuò)和容錯(cuò)等等。

（5）服務(wù)接口模塊，包括三類服務(wù)接口：服務(wù)接口、外部服務(wù)接口、內(nèi)部服務(wù)接口。利用服務(wù)接口使用模型層所提供的服務(wù)。內(nèi)部服務(wù)接口向視圖層提供本地控制的服務(wù)。外部服務(wù)接口向視圖層提供網(wǎng)絡(luò)訪問控制的服務(wù)。

3.2 服務(wù)模塊子層

服務(wù)模塊子層提供了完成具體邏輯任務(wù)的各模塊。各模塊是松耦合的，各模塊均由服務(wù)總線子層負(fù)責(zé)調(diào)用。各服務(wù)模塊可以根據(jù)任務(wù)的需要進(jìn)行擴(kuò)展，下面對(duì)系統(tǒng)的部分核心模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3.2.1 控制對(duì)象選擇模塊

不同的被控對(duì)象具有不同的特性，需要進(jìn)行分類控制。當(dāng)控制系統(tǒng)添加了新的控制對(duì)象后，只要訪問該被控對(duì)象的接口負(fù)責(zé)制定的規(guī)范，則無需修改系統(tǒng)其它模塊的代碼，只需添加該被控對(duì)象的驅(qū)動(dòng)程序、添加所需的功能模塊，即可實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)充。本模塊主要實(shí)現(xiàn)了包括對(duì)6－PUS／UPU樣機(jī)、虛擬樣機(jī)及數(shù)據(jù)庫這些被控對(duì)象的選擇及初始化。

3.2.2 控制模式選擇模塊

該模塊主要是根據(jù)用戶的請求，提供被控對(duì)象在不同的控制模式下進(jìn)行切換的功能，并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。不同的控制模式對(duì)被控對(duì)象的參數(shù)設(shè)置、各種資源的操作方式、操作權(quán)限等均有所不同。為了滿足教學(xué)與科研的需要，6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)應(yīng)支持本地控制和網(wǎng)絡(luò)控制兩種方式。

3.2.3 樣機(jī)構(gòu)型選擇模塊

由于樣機(jī)自身特點(diǎn)，可衍變成多種構(gòu)型。每種構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型會(huì)有所差別，因此根據(jù)構(gòu)型來配置控制系統(tǒng)。本文目前主要定義了如下構(gòu)型：6－PUS、6－PUS／UPU。

3.2.4 操作模式選擇模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)兩種操作模式：一是通過下載運(yùn)動(dòng)程序到PMAC卡，在運(yùn)動(dòng)程序控制下的自動(dòng)控制模式；二是在用戶在線發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令模式下的手動(dòng)控制模式。自動(dòng)控制模式一般用于已知末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡情況下所采用；而手動(dòng)控制模式一般用在定點(diǎn)位置控制情況下，此時(shí)需要實(shí)時(shí)調(diào)用反解模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)反解。

3.2.5 控制策略選擇模塊

該模塊主要對(duì)各種控制模式進(jìn)行分別控制，只要符合相應(yīng)的接口范圍，即可以在不改動(dòng)其它模塊的情況下改變被控制對(duì)象的控制策略。本模塊主要的控制策略有：基于關(guān)節(jié)空間的PID控制、與環(huán)境非接觸的力／位混合控制、帶同步器的力／位混合控制、與環(huán)境接觸的力／位混合控制等等。

3.2.6 樣機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊

樣機(jī)在加工裝配后，由于各個(gè)部件的制造、裝配誤差，導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間存在誤差，為了提高運(yùn)動(dòng)精度，需要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后需要對(duì)相關(guān)的樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。此外，在長時(shí)間運(yùn)行后，或某些情況下，也需要對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行重新補(bǔ)償。該模塊提供了對(duì)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.2.7 軸控制設(shè)置模塊

軸控制設(shè)置模塊主要是設(shè)置每個(gè)驅(qū)動(dòng)分支的控制模式，主要包括每個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的反饋方式的設(shè)置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制模式的設(shè)置這兩部分內(nèi)容。

每一驅(qū)動(dòng)分支均可以單獨(dú)進(jìn)行相應(yīng)控制參數(shù)的設(shè)置。在控制方式選擇中，根據(jù)反饋方式的不同，有以下兩種模式可供選擇：半閉環(huán)、全閉環(huán)方式。半閉環(huán)方式：位置反饋信號(hào)與速度反饋信號(hào)均由電機(jī)編碼器產(chǎn)生；全閉環(huán)方式：位置反饋信號(hào)由光柵尺測得，而速度反饋信息則由電機(jī)編碼器反饋實(shí)現(xiàn)。當(dāng)選取不同的控制方式，需要修改PMAC卡相對(duì)應(yīng)的I變量。

每個(gè)伺服電機(jī)都有3種控制模式：位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制。在選擇完反饋模式后，可以設(shè)置伺服電機(jī)的控制模式。當(dāng)選取不同的軸控制方式時(shí)，從PMAC發(fā)出的指令則通過8E卡的不同通道發(fā)送到各電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)輸入端口。位置控制與速度控制方式轉(zhuǎn)換，PMAC卡的響應(yīng)I變量取值需要做相應(yīng)的調(diào)整。

3.2.8 運(yùn)動(dòng)學(xué)算法模塊

運(yùn)動(dòng)學(xué)模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能：參照樣機(jī)構(gòu)型選擇模塊的參數(shù)，選取與構(gòu)型匹配的運(yùn)動(dòng)反解模型，結(jié)合軌跡規(guī)劃中所規(guī)劃的速度、運(yùn)動(dòng)時(shí)間等信息，將經(jīng)過插補(bǔ)處理模塊處理后的離散線段反解為任務(wù)空間上且符合PMAC運(yùn)動(dòng)程序格式要求的各個(gè)驅(qū)動(dòng)軸的伺服指令。

3.2.9 插補(bǔ)處理模塊

插補(bǔ)處理模塊首先對(duì)運(yùn)動(dòng)程序進(jìn)行編譯處理，包括運(yùn)動(dòng)程序進(jìn)行詞法、語法檢查，無誤后，將編譯過的運(yùn)動(dòng)程序軌跡段進(jìn)行粗插補(bǔ)。再將運(yùn)動(dòng)程序中的控制代碼轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)控制程序文件格式。本系統(tǒng)的插補(bǔ)處理模塊目前只提供直線插補(bǔ)方式。各分支運(yùn)動(dòng)軌跡的插補(bǔ)由粗、精兩次插補(bǔ)完成，其中粗插補(bǔ)的計(jì)算量大，這部分由上位機(jī)來完成，插補(bǔ)周期則由低層PMAC控制器的采樣頻率決定，精插補(bǔ)由PMAC完成。本模塊，主要即完成粗插補(bǔ)功能。

3.2.10 回零控制模塊

本模塊分別提供了非冗余驅(qū)動(dòng)下的回零和冗余驅(qū)動(dòng)下的回零兩種回零方式。

在非冗余驅(qū)動(dòng)下，本系統(tǒng)讓所有的驅(qū)動(dòng)分支沿同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)光柵尺讀數(shù)頭經(jīng)過光柵尺上參考零位時(shí)被觸發(fā)，然后驅(qū)動(dòng)分支再反向移動(dòng)到距離參考點(diǎn)某一位置的零點(diǎn)，該位置即為零點(diǎn)，也是坐標(biāo)系的原點(diǎn)。為了兼顧靈活、速度，本模塊分別實(shí)現(xiàn)包括6個(gè)驅(qū)動(dòng)分支的單獨(dú)回零、同時(shí)回零功能。

冗余分支采用隨動(dòng)控制模式。在隨動(dòng)控制模式下，安裝在冗余驅(qū)動(dòng)分支上的傳感器受到的拉壓力。所采用的回零策略分三步驟：當(dāng)機(jī)器人需要回零時(shí)，控制系統(tǒng)將冗余分支的控制模式改為隨動(dòng)控制模式，此時(shí)，冗余分支的驅(qū)動(dòng)器處于力控制模式，并且發(fā)送輸入力為零的命令，冗余分支會(huì)跟隨動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)；其它分支首先調(diào)整動(dòng)平臺(tái)的位置，讓各分支的回零行程基本相同的情況下，再實(shí)施各分支獨(dú)立自主地回零；最后，冗余分支再次修改控制模式，改回為冗余控制模式?；谏鲜龅幕亓悴呗?，準(zhǔn)確性和效率都比較好。

3.2.11 位置正解計(jì)算模塊

在顯示動(dòng)平臺(tái)位姿、動(dòng)力學(xué)控制模式下，都需進(jìn)行位置求解。本模塊利用Matcom文件翻譯器將求正解的MATLAB程序轉(zhuǎn)化成VC，程序運(yùn)行時(shí)，調(diào)用Matrix的C＋＋數(shù)學(xué)庫，實(shí)時(shí)進(jìn)行正解計(jì)算來完成顯示功能。

3.2.12 狀態(tài)顯示模塊

為了讓樣機(jī)操作人及時(shí)了解樣機(jī)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，需要將主要運(yùn)動(dòng)部件的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地在屏幕上顯示出來。這些信息主要包括：動(dòng)平臺(tái)的位置信息、各驅(qū)動(dòng)分支的位置和速度信息等等。

3.2.13 信息管理模塊

包括用戶管理子模塊、日志管理子模塊。

用戶管理子功能模塊實(shí)現(xiàn)賬號(hào)注冊、登陸驗(yàn)證等。當(dāng)某用戶試圖登陸控制系統(tǒng)時(shí)，控制管理中心把該用戶的信息傳給用戶管理子功能模塊，該模塊調(diào)用保存在數(shù)據(jù)庫中的注冊用戶信息來核實(shí)該賬戶的合法性。

日志管理子功能模塊在程序運(yùn)行后負(fù)責(zé)機(jī)器人整個(gè)工作過程中狀態(tài)信息記錄和保存。日志管理子功能模塊能對(duì)監(jiān)控模塊的分析結(jié)果提取異常情況，以不同顏色提示用戶。且可通過 “日志查詢”命令對(duì)以往的日志進(jìn)行查詢分析。通過對(duì)記錄下的數(shù)據(jù)定期進(jìn)行對(duì)比分析，可以對(duì)系統(tǒng)的各零部件性能進(jìn)行監(jiān)控評(píng)價(jià)、預(yù)測和優(yōu)化。

3.2.14 安全監(jiān)控模塊

為了保證系統(tǒng)能連續(xù)、安全地運(yùn)行，在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了安全監(jiān)控模塊。為了讓各驅(qū)動(dòng)分支不超出其工作行程，本系統(tǒng)分支桿設(shè)計(jì)了從里向外三層安全保護(hù)：第一級(jí)安全保護(hù)是通過軟件查詢判斷的方式進(jìn)行；第二級(jí)安全保護(hù)是通過光柵尺上的讀寫頭經(jīng)過光柵尺兩端的限位時(shí)產(chǎn)生信號(hào)發(fā)生跳變，PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通過中斷方式捕捉信號(hào)上升沿，伺服系統(tǒng)立即啟動(dòng)減速急停；第三級(jí)安全保護(hù)，采用了行程開關(guān)。

4 面向任務(wù)型的視圖層

由于SOA／MVC架構(gòu)的開放性，以及視圖與模型的分離，其視圖層上的各種交互界面可以獨(dú)立開發(fā)，互不干擾?？梢愿鶕?jù)不同的應(yīng)用需求，不同的任務(wù)類型，不同的用戶類比開發(fā)出不同的交互界面，以滿足不同的需求。所有的視圖均通過模型層的模型獲取數(shù)據(jù)，只要模型的數(shù)據(jù)發(fā)生變更，各視圖就能獲取最新的數(shù)據(jù)進(jìn)行更新顯示。

對(duì)應(yīng)控制層的服務(wù)接口，本系統(tǒng)的視圖層提供界面主要有兩大類：一類是基于本地機(jī)的內(nèi)部界面；一類是在遠(yuǎn)程主機(jī)上運(yùn)行的外部界面?？杉?xì)化為：網(wǎng)絡(luò)終端界面、Web界面、本地終端界面、任務(wù)型控制界面等。

4.1 控制系統(tǒng)本地終端開發(fā)

友好的界面設(shè)計(jì)可提高人機(jī)交互的效率及降低誤操作的概率，6－PUS／UPU冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的本地控制終端人機(jī)交互界面如圖4所示。

本地控制終端人機(jī)界面主要包括下面的部分：功能菜單、代碼編譯區(qū)、指令位姿顯示區(qū)、驅(qū)動(dòng)分支滑塊位置和速度顯示區(qū)、快捷按鈕區(qū)、狀態(tài)顯示燈、控制面板部分以及擴(kuò)展模塊區(qū)等。

4.2 基于局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)終端開發(fā)

本系統(tǒng)目前只實(shí)現(xiàn)了基于客戶端的網(wǎng)絡(luò)控制，服務(wù)器端和客戶端通過局域網(wǎng)進(jìn)行連接。此外為了避免操作人員的不適應(yīng)度，服務(wù)器端和終端的人機(jī)交互界面是一致的。

圖4 控制系統(tǒng)人機(jī)界面

此外，作為一個(gè)多功能測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其硬件及控制軟件都應(yīng)具有良好的開放性。為了驗(yàn)證上海65m射電望遠(yuǎn)鏡副面調(diào)整機(jī)構(gòu)［9］控制系統(tǒng)的有效性和可行性，本樣機(jī)作為驗(yàn)證機(jī)提供了實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，基于SOA／MVC架構(gòu)開發(fā)出了基于局域網(wǎng)的測試系統(tǒng)，其控制界面如圖5所示。

圖5 上海65米望遠(yuǎn)鏡副面控制系統(tǒng)人機(jī)界面

其界面主要添加了包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，副面位置顯示，副面調(diào)整方式選擇、安全等級(jí)選擇、日志管理、點(diǎn)動(dòng)調(diào)整等與副面進(jìn)行控制的功能模塊、交互按鈕和信息顯示框。

4.3 柔順裝配實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)終端開發(fā)

為了進(jìn)行柔順裝配實(shí)驗(yàn)［10］，基于本控制系統(tǒng)開發(fā)了柔順裝配控制系統(tǒng)。柔順裝配控制系統(tǒng)的人機(jī)界面如圖6所示。

為了及時(shí)觀察采集卡各測量通道的電壓、預(yù)緊電壓和六維力傳感器的測力信息等內(nèi)容，該界面在原有并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)功能上加入了六維力采集、處理和顯示以及并聯(lián)機(jī)器人力控制的部分，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)操控、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示以及六維力傳感器的相應(yīng)的控制功能；傳感器狀態(tài)監(jiān)測部分，用于顯示并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)平臺(tái)受力情況。

5 結(jié)束語

圖6 柔順裝配控制系統(tǒng)人機(jī)界面

本文根據(jù)6－PUS／UPU冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及任務(wù)需求，開發(fā)了其控制系統(tǒng)。首先針對(duì)6－PUS／UPU進(jìn)行需求分析，進(jìn)而提出基于SOA／MVC的開放式控制系統(tǒng)架構(gòu)，然后分別設(shè)計(jì)完成開放式的模型層、模塊化的控制層和面向任務(wù)型的視圖層。該控制系統(tǒng)功能完善，模塊化程度高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，完全滿足機(jī)電一體化多功能測控平臺(tái)的多任務(wù)需求。控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)證明了SOA／MVC架構(gòu)可大大增強(qiáng)控制系統(tǒng)的柔性和開放性。

［1］LAI Yuliang.Realization of software bus and scheduling of open control system ［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2011：5－8 （in Chinese）.［賴宇亮.開放式控制系統(tǒng)軟件總線及調(diào)度的實(shí)現(xiàn) ［D］.廣州：華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科碩士學(xué)位論文，2011：5－8.］

［2］LIANG Shunpan，DUAN Yanbin，ZHENG Kuijing，et al.Kinematics control of a new 6PUS－UPS／UPU parallel manipulator with variable mobility ［C］／／International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2010：6330－6334.

［3］DUAN Yanbin，LIANG Shunpan，ZENG Daxing，et al.Kinematics and workspace analysis of 6－PUS／UPU parallel manipulator［J］.Journal of Machine Design，2011，28 （3）：36－40（in Chinese）.［段艷賓，梁順攀，曾達(dá)幸，等.6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及工作空間分析 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2011，28（3）：36－40.］

［4］LIANG Shunpan，GAO Sihui，HAN Xing，et al.Dynamics modeling and simulation of 6－PUS／UPU parallel manipulator

［J］.Journal of System Simulaiton，2012，24 （9）：1839－1843 （in Chinese）.［梁順攀，高思慧，韓興，等.6－PUS／UPU并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及仿真 ［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24（9）：1839－1843.］

［5］WU Shanyu，ZHANG Ping，LI Fang.Research of SOA－based logistics controlling system ［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （2）：561－565 （in Chinese）.［吳善玉，張平，李方.基于SOA的機(jī)器人物流系統(tǒng)架構(gòu)研究 ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33 （2）：561－565.］

［6］ZHAO Bin，XIA Hongxia，ZHANG Hao，et al.Novel design of remote control system architecture based on the technology of plug－in framework and script language ［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2009，31 （11）：109－112 （in Chinese）.［趙斌，夏紅霞，張皓，等.一種新的基于插件和腳本的遠(yuǎn)程控制架構(gòu)設(shè)計(jì) ［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31（11）：109－112.］

［7］ZHANG Qiuyu，CHI Ning，LIU Ye.Network control system of mobile robot based on MVC ［J］.Computer Engineering and Design，2007，28 （2）：3097－3010 （in Chinese）.［張秋余，遲寧，劉曄.基于MVC的移動(dòng)機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28 （2）：3097－3010.］

［8］LUO Shaoqi.The research of trajectory planning and control on the open architecture control system based on light serviceoriented architecture［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2012：1－2 （in Chinese）.［羅少奇.LSOA開放式控制系統(tǒng)的軌跡規(guī)劃及控制的研究 ［D］.廣州：華南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科碩士學(xué)位論文，2012：1－2.］

［9］DOU Yuchao，YAO Jiantao，HOU Yulei，et al.Orientation precision monitoring and homing strategy of the subreflector adjusting system for 65meters radio telescope ［J］.Robot，2012，34 （4）：399－405 （in Chinese）.［竇玉超，姚建濤，侯雨雷，等.65米射電望遠(yuǎn)鏡副面調(diào)整系統(tǒng)姿態(tài)精度監(jiān)測與回零策略 ［J］.機(jī)器人，2012，34 （4）：399－404.］

［10］WU Yao.Theory and experiment research of compliance assemble based on six－component force sensor ［D］.Qinhuangdao：Yanshan University，2012：32－48 （in Chinese）.［吳遙.基于六維力傳感器的柔順裝配理論與實(shí)驗(yàn)研究 ［D］.秦皇島：燕山大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)科碩士學(xué)位論文，2012：32－48.］