基于OpenMP的Stewart并聯機器人控制系統*

李 昂， 韓 康， 霍 琦， 于慧莉

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.國網吉林省電力有限公司 長春供電公司,吉林 長春 130000)

基于OpenMP的Stewart并聯機器人控制系統*

李 昂1， 韓 康1， 霍 琦1， 于慧莉2

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.國網吉林省電力有限公司 長春供電公司,吉林 長春 130000)

針對Stewart并聯機器人控制難度大的問題，實現了一種基于OpenMP的Stewart并聯機器人上位機控制系統，對機器人實現了快速有效直觀的振動控制。系統共包含了動力學解算模塊、數據傳輸模塊和人機交互模塊，不僅能夠準確地計算出振動數據，控制機器人振動，而且也設計了簡潔明了的用戶界面，提升用戶體驗。為了提高軟件的執行效率，還加入了OpenMP多線程并行計算技術加速控制算法，最高達到了2.18倍的加速比。驗證了軟件計算的正確性、控制的穩定性和執行的高效性。

并聯機器人； OpenMP； 并行計算； 控制軟件； 動力學

0 引 言

Stewart平臺并聯機器人是一種廣受關注的機器人構型，它具有精度高、剛度大、動態響應好等優點，因而在航空航天等領域應用較為廣泛[1]。Stewart平臺由上下兩個平臺構成，其中，上平臺為動平臺，下平臺為定平臺，兩個平臺間由6條支腿相連，支腿的長度是可變化的，6條支腿長度變化合成實現動平臺的運動[2]。基于Stewart構型的振動機器人在工程應用中有很高的實用性和研究意義[3]。

傳統機器人的振動控制大都直接靠硬件實現，學習成本高且靈活性較低，本文針對這個問題實現了一種基于OpenMP技術的Stewart并聯機器人控制軟件，既能正確控制機器人振動，也降低了機器人控制的難度[4]。

1 控制系統的總體設計

機器人控制系統由上位機控制系統+下位機數字信號處理器(digital signal processor,DSP)構成，其中，下位機DSP負責接收控制系統傳來的振動數據，并按照這些數據控制機器人各支腿的電流輸出，從而實現振動。控制系統的核心為上位機軟件，通過軟件計算出一定初始條件下的振動數據，并通過PC串口傳送給DSP，同時，控制系統實時接收由下位機傳回的機器人傳感器數據，以實現閉環控制。除了數據傳輸外，命令傳輸也由控制系統執行。其流程圖如圖1所示。其功能圖如圖2所示。

2 控制系統的設計與實現

2.1 數據通信與傳輸模塊

考慮到機器人控制信息吞吐量較低，且對信息可靠性要求較高，軟件選擇基于RS—232標準的串口通信方式。數據通信傳輸模塊的主要功能見圖2。

圖1 控制系統的系統流程圖Fig 1 System flowchart of control system

圖2 控制系統功能圖Fig 2 Function chart of control system

2.1.1 串口自動查詢和連接

實際應用中，為了達到更好的用戶體驗，系統中串口的查詢和連接無需用戶操作，而是由后臺自動完成的。Windows操作系統會將可用的串口信息存儲在注冊表的“HKEY_LOCAL_MACHINE/HARDWA RE/DEVICEMAP/SERIALCOMM”這一表項中，在控制平臺創建成功后，后臺會自動訪問這一表項，找出可以連接的串口并讀取相應的參數，若存在這樣的串口，則軟件會創建一個新的串口變量，并將連接參數賦給這個串口變量，之后的通信操作都由這個變量完成；若不存在這樣的串口，則重復執行上述操作直到用戶選擇退出程序或者找到可用串口[5]。

2.1.2 數據和命令幀的封裝

為了防止數據在傳輸過程中丟失或出錯，系統將待傳輸的數據封裝成幀，為了方便解析，系統將數據和命令采用同一種幀格式封裝，幀格式如表1所示。

表1 幀格式與各標識長度表Tab 1 Format of frame and length of each mark

每個幀的長度為9～255字節，幀的類型定義了此幀是命令幀還是數據幀；幀的長度定義了幀的有效內容有多少個字節，只有當幀為數據幀時，這個標識才有意義，若此幀為命令幀，則長度固定位1；校驗和為對幀內容的校驗，確保傳輸內容沒有出錯；幀頭和幀尾均為固定的兩字節。幀封裝結束后，系統就會將其通過串口進行發送。

2.2 人機交互模塊

本系統設計了以繪圖功能和數據存取功能為核心的功能模塊，提升用戶體驗。

2.2.1 力值曲線繪制功能

動力學逆解算出每條支腿的振動數據，包括加速度值和力值[6]。但是這些值若未經驗證直接發送至DSP控制器上，就可能發生因錯點而導致的振動異常，在振動過程中這種異常是很難準確定位的，因此，在數據通信之前，將力值曲線繪制在圖片上，就能直觀地觀測到各個曲線的極值和趨勢等，盡量避免上述異常的發生。

本系統基于C#.Net平臺來設計用戶界面，其中繪圖功能的開發基于ZedGraph控件，它能夠繪制曲線圖和柱狀圖[7]。ZedGraph控件繼承自FrameWork框架中的UserControl Interface，因而它可以像C#.Net提供的其他控件一樣進行拖放操作。當動力學逆解結束后，就會啟動繪圖流程，首先，在ZedGraph控件中生成圖層，再在圖層中聲明六條曲線，每條曲線綁定一個力值數組；然后，將每條曲線的力值按照振動的先后次序插入到各自的力值數組中；最后，檢測是否有點超出當前的顯示范圍，若有，則重繪坐標軸使其能夠正常顯示。

2.2.2 數據存取功能

并聯平臺振動形式的復雜性決定了初值的細微不同可能會造成結果的巨大差異，為了實現振動的可重復性，系統提供了振動初始條件的存取功能。系統采用FileStream類提供的文件流讀寫方法對初始條件進行保存和讀取[8]。

2.3 動力學逆解模塊

2.3.1 動力學逆解

動力學逆解是指已知某一時刻并聯平臺的位姿，平臺速度和加速度，求解施加在每條支腿上的驅動力大小[9]。設施加在鉸鏈上廣義力為

(1)

引入拉格朗日系數λ后，可推出廣義力以及相應的廣義驅動力之間關系的規范形式為

(2)

式中τ代表廣義驅動力，m代表主動關節的數目。在得到各個支腿的動力學模型后，整理可得動力學逆解方程

(3)

式中Qe為所求的廣義力[10]。

2.3.2 OpenMP并行計算

并聯平臺的一次振動需要求多個振動點的力值以形成至少一個周期的循環振動。而每次求廣義力都要進行一次動力學逆解運算，這個循環求解過程是極為耗時的。對這個循環進行進一步分析發現每次循環求解之間是相互獨立的，因此，考慮將這個循環進行OpenMP并行分解加速程序執行[11]。

OpenMP并行計算的原理是將循環體拆分成多個獨立的任務，這些任務由CPU或者GPU上的多個計算核心同時計算完成，其原理圖如圖3所示[12]。

圖3 并行計算原理圖Fig 3 Principle chart of parallel computing

從上圖中可以看出，串行計算時，設共有m×n個任務，每個任務的執行時間為1，則串行計算總的計算時間為

Ts=m×n

(4)

采用并行計算后，將這些任務分配到m個線程上，每個線程執行n個任務，則并行計算總的計算時間為

Tp=T1=T=…=Tm=Ts/m=n

(5)

可以看出：采用并行計算后，理論上總的計算時間縮短為原來的1/m，其中，m為參與并行計算的線程數目。這就大大提高了計算效率，縮短計算時間[13]。

3 并聯機器人控制軟件實驗結果分析

為了驗證力值運算結果的正確性，軟件運行了與Matlab軟件相同的一組算例，并將計算結果作對比，其結果如圖4、圖5所示[14]。

圖4 并聯機器人控制軟件運算結果Fig 4 Computing result of parallel robots control software

圖5 Matlab運算結果Fig 5 Computing result of Matlab

從圖中可以看出，每條支腿的曲線走勢，極值完全一致，進一步，采用ultraCompare軟件對結果進行對比，發現其極差小于等于10-6，證明系統的運算結果是完全正確的。

最后，驗證了OpenMP并行計算對于效率的提升，實驗采用的計算機處理器為IntelCoreI7 2670QM處理器，其硬件規格為四核心八線程，實驗結果如表2所示。

表2 并行計算時間表格Tab 2 Time of parallel computing

由表2中可以看出：在保證計算準確性的前提下，開啟多線程并行計算后，計算時間會隨著參與并行計算線程數目的增加而縮短，其加速比也會隨之大幅增加。可見，并行計算對提升計算效率起到了很大作用。

4 結束語

本文設計并實現了基于OpenMP的Stewart并聯機器人控制系統。對系統中的各個重要功能模塊進行了分析和說明。進行了一系列實驗驗證了并行計算的正確性和高效性。機器人能夠在控制系統的操作下實現較為精確，靈活的振動，為并聯機器人振動的研究和發展奠定了良好的基礎。

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Control system of Stewart parallel robot based on OpenMP*

LI Ang1, HAN Kang1, HUO Qi1, YU Hui-li2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun 130033,China; 2.State Grid Electric Power Co in Changchun,Jilin Province Power Company,Changchun 130000,China)

Aiming at problem of great control difficulty of Stewart parallel robot,implement an upper PC control system of Stewart parallel robot based on openMP,which achieves fast,efficient and intuitive vibration control on robot.This system contains solution module of dynamics,data transmission module and Human-Computer Interaction module,it not only can accurately calculate vibration data,control robot vibration but also contains a concise User Interface to improve user’s experience.Multi-thread parallel computation technology acceleration control algorithm is also used to improve software efficiency based on OpenMP which achieves 2.18 speedups.A series of tests are executed to prove the correctness of software computation,stability of control and high efficiency of execution.

parallel robot; OpenMP; parallel computation; control software; dynamics

10.13873/J.1000—9787(2016)07—0067—03

2016—06—19

國家自然科學基金資助項目(11302222)；中國科學院長春光學精密機械與物理研究所創新基金資助項目(Y4CX1SS141)

TP 319

A

1000—9787(2016)07—0067—03

李 昂(1988-),男，吉林省白城人, 碩士,實習研究員，從事計算機科學與技術、高性能計算方向研究。