0    引言
        自從1965年Stewart提出將6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為訓(xùn)練飛行駕駛員的飛行模擬器以來,憑借其輸出精度高、剛性好、承載能力強(qiáng)、便于控制、結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定等特點(diǎn),并聯(lián)機(jī)構(gòu)得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。大型剛體調(diào)姿實(shí)驗(yàn)平臺作為一種特殊的數(shù)控專用設(shè)備,手輪功能也是不可或缺的功能。傳統(tǒng)數(shù)控設(shè)備一般只需通過手搖脈沖發(fā)生器發(fā)送相應(yīng)指令脈沖控制單軸電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。且相應(yīng)的操作軸向及脈沖倍數(shù)的選擇通過簡單的開關(guān)量信號讀取來判斷。
        在本平臺中,剛體由3個(gè)三坐標(biāo)定位器支撐,剛體的位姿變化需要通過這9個(gè)軸的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn),即將笛卡爾坐標(biāo)系的剛體運(yùn)動通過逆解運(yùn)算轉(zhuǎn)換為各伺服軸(實(shí)軸)的協(xié)同運(yùn)動。因此,要求該平臺的手輪功能既能實(shí)現(xiàn)所有單個(gè)設(shè)備的運(yùn)動控制,又能實(shí)現(xiàn)對剛體位置姿態(tài)的運(yùn)動控制。這與傳統(tǒng)數(shù)控設(shè)備的手輪功能有著本質(zhì)的不同,其必須依靠手持單元與工作站之間的協(xié)同控制才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)為了保證對操作者手搖脈沖輸入動作的快速響應(yīng)和實(shí)時(shí)處理,需要系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng),從而使程序設(shè)計(jì)更加困難和復(fù)雜。
        本研究結(jié)合大型剛體調(diào)姿實(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)實(shí)踐,基于EUCHNER手持操作單元,介紹適用與該平臺的手輪功能開發(fā)。
1    硬件介紹
1.1    調(diào)姿實(shí)驗(yàn)平臺
        本調(diào)姿實(shí)驗(yàn)平臺由3個(gè)三坐標(biāo)支持機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)現(xiàn)大型剛體六自由度的姿態(tài)調(diào)整,三坐標(biāo)支撐機(jī)構(gòu)3個(gè)運(yùn)動軸均為電機(jī)驅(qū)動,電機(jī)選用美國Danaher傳動公司生產(chǎn)的Kellermorgen伺服電機(jī),電機(jī)驅(qū)動器為CDServoStar系列,采用基于SynqNet實(shí)時(shí)現(xiàn)場總線控制技術(shù),運(yùn)動控制卡采用MotionEngineering公司生產(chǎn)的ZMP高速運(yùn)動控制卡,對控制網(wǎng)絡(luò)上所有驅(qū)動器或者I/O模塊以節(jié)點(diǎn)的方式進(jìn)行控制,它能實(shí)現(xiàn)最多32個(gè)伺服電機(jī)軸的同步驅(qū)動管理以及邏輯運(yùn)算功能。手輪脈沖信號作為數(shù)字量輸入信號接入I/O模塊,作為運(yùn)動控制的驅(qū)動信號。
1.2    手持單元
        本調(diào)姿平臺采用EUCHNER公司生產(chǎn)的086180型號手持單元,它由12組按鍵及相應(yīng)的LED燈、2個(gè)12檔位的旋鈕、AB相脈沖發(fā)生器以及脈沖使能開關(guān)組成。串口數(shù)據(jù)接口為RS422A,傳輸協(xié)議依照3964R協(xié)議。根據(jù)手持單元所提供的開發(fā)協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)如下功能:
        (1)對按鍵及旋鈕操作的消息響應(yīng)及處理;
        (2)存儲文本信息并顯示;
        (3)手持單元狀態(tài)查詢(按鍵及旋鈕);
        (4)LED狀態(tài)燈開關(guān)控制。
        將以上功能與具體的工藝過程結(jié)合起來,將有效的提升調(diào)姿平臺的人機(jī)交互性能,使操作者在工作現(xiàn)場即可靈活便捷的控制本調(diào)姿平臺。
2    功能實(shí)現(xiàn)
2.1    手持單元與工作站之間的串口通信
        本研究采用微軟提供的MsComm控件建立串口通訊。為保證串口通信的實(shí)時(shí)性與效率,利用多線程的工作模式,在主線程中發(fā)送數(shù)據(jù),在所創(chuàng)建的用戶界面線程上插入MsComm控件來接收數(shù)據(jù)。一個(gè)用戶界面線程對應(yīng)一部手輪,通過這種模式,系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多部手輪的串行或者并行的工作模式。手持單元發(fā)送的數(shù)據(jù)格式有4種[6-8],分別為握手協(xié)議信息、按鍵或旋轉(zhuǎn)信息、確認(rèn)信息以及手輪狀態(tài)信息。針對不同數(shù)據(jù)格式,靈活配置MsComm控件的接收屬性,確保接收數(shù)據(jù)的正確性與完整性。線程間通信利用時(shí)間驅(qū)動的方式。
        通信協(xié)議為3964R協(xié)議,該協(xié)議是西門子公司為了確保PLC之間或PLC與其他設(shè)備之間點(diǎn)對點(diǎn)可靠通信時(shí),由程序包自動的將其加在數(shù)據(jù)包中,保證數(shù)據(jù)傳送的可靠性?？刂谱秩缦?
        STX:傳送文本開始(02H);
        DIE:連接成功/數(shù)據(jù)傳輸無誤(10H);
        ETX:傳送文本結(jié)束(03H);
        BCC:校驗(yàn)和(根據(jù)計(jì)算而定);
        NAK:否定應(yīng)答(15H)。
2.1.1    數(shù)據(jù)的接收
        當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí),會發(fā)送一個(gè)消息,自動調(diào)用OnComm()函數(shù),在該函數(shù)內(nèi)按以下程序設(shè)計(jì)框圖處理數(shù)據(jù),其中,設(shè)置STX事件表示的是將CEvent類型的STXEvent置為觸發(fā)狀態(tài),這樣在用戶界面線程中利用WaitForSingleOb-ject()函數(shù)就可以檢測到該事件已觸發(fā),從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)線程之間的同步。
        從接收的數(shù)據(jù)中可以得出手持單元按鍵或旋鈕狀態(tài)的變動,以自定義消息的方式發(fā)送至程序的主框架中,程序便會自動調(diào)用按鍵或旋鈕事件響應(yīng)函數(shù)。
2.1.2    數(shù)據(jù)的發(fā)送
        數(shù)據(jù)的發(fā)送是在主線程中進(jìn)行,主要完成一些文本信息的定制以及手持單元狀態(tài)信息的查詢功能。