并聯機器人在高職高專教學中的應用

陳熠道

摘要：本文主要講述了什么是并聯機器人，目前在教學中存在的問題和需要解決的關鍵問題。在分析了設計并聯機器人的理念和目的情況下，對6角度并聯機械手進行了詳細的說明和功能上應用的要求，隨著生產企業的不斷發展，對并聯機器人的需求將引導高校對這門科學在教學中的探索和研究。并聯機器人主要的部件是并聯機械手，其結構部件有其特殊性，也有其作為一般機械手的普遍性，為求經濟性也并不是越簡單越好。

關鍵詞：并聯機器人、機器人工業化、機械手

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

工欲善其事，必先利其器。設備是生產發展的基本要素之一。隨著人類社會的文明與進步，人們所使用的設備也在不斷進步。尤其是從二次大戰之后，人類的科技成果數量每10至15年翻一番。也就是說，今后的10至15年間所產生的科技成果相當于歷史上人類全部成果的總和。在此基礎上近年來新起的機器人技術處于目前工業科技的前沿，主要包括串聯機器人和并聯機器人。

并聯機器人的機構定義為：使用上，下兩個平臺2個以及2個以上分支相連，機構擁有的自由度在2個以及2個以上的，而且是以并聯方式驅動的機構稱為并聯機器人機構。

只要是多自由度驅動器分配在不同環境上的多環路機構，從廣義機構學的角度來看都可稱之為并聯機構，如步行機器人，多指手爪等。

1目前的問題

國內教育機器人多數生產廠家仍舊停留在移動教育機器人范圍內，造價及科技含量比較偏頗，多數只能適應中小學教育需要，一定程度上具有的觀賞和研究性質。類似以上這種智能機器人技術只涉及到現代工業設計、建筑結構、機械結構等多學科，應用起來僅僅是編寫程序，使得產品在整合各學科知識系統上做得不夠，而且使用者多數只是一味地追求在比賽中取得好成績，而忽略了教育的意義，這與我國目前教育的最高宗旨是完全背離的。

目前一部分國內教育機器人方向具有以下不利特點：

1）技術開放性低，著重軟件性能，學生只能進行簡單的編程操作。

2）單片機簡單控制，無擴展性。

3）產品注重的是趣味性和娛樂性，教育含量甚少。基本與工業現場應用無關。

4）絕大多數機器人面對中小學。且產品的售后服務方面重視不夠。

5）包含技術針對工業現場機器人應用基本無聯系。

以工業機器人為基礎，以實際應用為目標，研發多種機器人產品，需要解決以下關鍵技術：

（1）基于低成本和一致性要求的系統設計

（2）機器人模塊化可重組技術

（3）機器人工業化操作技術

（4）機器人開放性、可視化研究

（5）智能化設計

2開發并聯機器人的目的和設計理念

并聯機器人具有高度的能動性和靈活性，具備廣闊的開闊空間，作為一個動力學復雜系統，多輸入多輸出的是它的特性。并聯機器人還是進行控制系統設計的相對理想平臺，作為進行運動規劃和編程系統設計，非常方便簡單。

因為并聯機器人部分技術目前國際還沒有解決，一定程度影響了并聯機器人應用，但近幾年工業化發展，部分并聯機器人 構型已開始在工業上應用。如模擬器類、并聯機床、delta型并聯分揀機器人等。關于并聯機器人使用、維護和操作人才需要也越來越重要。因此，同串聯機器人一樣，也需要教學用工業作業型教學版并聯機器人，滿足教學需求。

并聯機器人作為一種新型的機器人形式目前正在得到越來越多的應用，相比較串聯機器人，這種機器人具有簡單的結構、比較大的剛度、較強的承載能力、較小的誤差等特點，可以與串聯機器人形成了良好的互補關系。應用的范圍包括機床加工、航天器對接機構、汽車裝配線、運動模擬器、巖土挖掘、光學調整、醫療機械等領域。

結合工業常見并聯機器人機構形式和教學特點，解決模塊化設計、低成本制造、開放性設計等關鍵技術。具體思路如下：

1）確定機器人作業為電動主軸加工，模擬并聯機床作業

2）采用高精度滾珠絲杠產品。滿足教學精度情況下低成本設計

3）驅動采用全步進電機或全伺服電機驅動，統一機電接口，電機可隨意更換

4）機械傳動結構可視化設計，滿足教學需要

5）機電結構開放性設計，開放二次開發函數和控制算法。

3 并聯機械手主要結構和特點

并聯機械手由本體支架、底座、驅動模塊、連桿、活動平臺、末端工具、電氣控制系統、控制軟件組成。

主要部件：步進電機（或伺服電機）及驅動器、滾珠絲杠、直線導軌、連桿、底盤圓、活動盤。

材質：鋼與超硬鋁材料；

嵌入式控制系統、電機驅動器及電機、電源、控制柜、操作電路機器人是組成控制系統的主要部分。

在嵌入式計算機的內部安裝有運動控制卡和操作系統。

運動控制卡是由高性能DSP處理器、CPLD可編程器件以及伺服電機接口器件等組成，具體可以用于控制伺服電機的位置、速度、加速度，還可以控制多個伺服電機的多軸協調。主要功能包括：規劃S形、梯形自動加減速曲線；在輸出狀態時控制脈沖到電機驅動器令電機運動；因為具備編碼器位置反饋信號接口，可以監控電機實際運行狀態；在利用零位開關、減速開關及編碼器Z相信號實現高速高精度原點返回操作；擁有伺服驅動器專用信號接口—伺服驅動器報警信號ALM等。

電源部分用來給控制柜提供各驅動器的控制用電源，包括相關保護、濾波器件等。

操作電路提供電氣系統所需的電源開、關順序操作及保護、報警、狀態指示等控制操作。

我們認為只要是動平臺和定平臺通過不少于兩個獨立的運動鏈相連接，機構擁有兩個或者兩個以上自由度，而且是以并聯方式驅動的一種閉環機構， 都可以叫做并聯機構（Parallel Mechanism，簡稱PM）。

并聯機器人機構中應用較廣的是六自由度并聯機構，國內外學者研究得最多，其目前廣泛應用于飛行模擬器、六維力與力矩傳感器以及并聯機床等領域。但是這種機構現在還有很多關鍵性技術沒有完全得到解決，比如說運動學正解、動力學模型的建立又或者并聯機床的精度標定等。如果從完全并聯的角度出發，此類機構必須具有六個運動鏈。只是在現有的并聯機構中，也存在擁有三個運動鏈的六自由度并聯機構，如3-PRPS 和3-URS 等機構，還有在三個分支的每個分支上附加一個五桿機構作為驅動機構的六自由度并聯機構等。需具備如下特點：

工業標準設計，本體采用型鋼與超硬鋁材料，剛度大、負載高。

模塊化結構，簡單、緊湊。

控制系統人機交互良好，采用圖形化示教盒進行操作、控制。同時二次開發時可以提供相應Windows環境接口。

驅動方式：全步進或全伺服電機驅動。

提供通用六自由度并聯機器人語言編程系統，可通過圖形示教自動生成六自由度并聯機器人語言等程序。

提供實驗教材，內容涵蓋機器人運動學、動力學、控制系統的設計、軌跡規劃等。用戶可以從中選擇相關內容滿足不同層次的教學實驗需要。

具備實際運動控制、實物演示及實物操作等功能。

軟件開放接口，線纜長度滿足正常使用，可與控制系統電控柜直接連接。開放接口可以用于教師或學生對于設備功能的二次開發。

具備軟件的可升級功能。

具備計算機聯網和系統進一步擴展功能。

機器人本體的主要關節及傳動部分在不影響機器人剛度的基礎上，采用透明式封裝，機構可視便于教學實驗。

機器人系統包括機器人本體、機器人控制系統、控制軟件、機器人末端執行機構、夾具、實驗指導書及使用說明書等。

4 結束語

從理論的產生到瓦特的第一個蒸汽機發明用了整整80年時間，而近代原子彈的研制才用了 6年時間，激光器的研制僅用了一年時間。昨天的科學幻想，今天、 明天就可能成為現實。當代的原子能技術、計算機科學、微電子技術、材料科學、遺傳工程、遙感技術、海洋技術、激光、光導技術、納米技術、模糊工程、神經網絡技術等如萬簇齊發， 蓬勃發展。一種技術可以應用在多類設備上，而一類設備又可能蘊含著多種技術。技術進步和產業革命使今天的設備朝著大型化、復雜化、高級化、連續化、自動化、微型化等方向迅速發展。如果說自行車的零件數量僅為100、1000數量級，而今天的宇宙飛船已超過了100萬數量級。

現代設備已成為現代科技的綜合體現。這使得當代設備的故障診斷不但十分重要，而且日益復雜并具有較高的技術難度。

參考文獻

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