教学型串—并混联装配机械手数控系统开发.doc

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1、教学型串并混联装配机械手数控系统开发摘要：本文从教学实验的需要出发，分析了机械手的结构与工作原理，给出了其运动学逆解的数学模型。在此基础上开发了教学型串并混联装配机械手数控系统，提出了适合并联机构控制的开放式数控系统总体框架，介绍了数控系统的硬件平台和软件构成, 对重要的软件模块的功能进行说明，并对数控软件开发的关键技术进行了阐述。关健词： 教学实验 机械手 数控系统 轨迹规划 插补一引言随着各类工业机器人不断进入市场，机器人系统不断升级、更新，机器人学作为一门综合了机械、电气、控制及计算机等诸多项技术与科学的新兴学科，在工程研究和应用领域受到越来越广泛的重视。社会对相应技术人才的要求也越来越

2、高。如何培养适应社会需求的机器人技术应用人才，成为各工科院校机电类专业面临的一个急需解决的问题。因此许多单位和学校都自行研发了不同功能不同型号的教学型工业机器人(机械手)。但大部分都是串联机构组成的, 由并联机构或串并混联机构开发的教学型混联机器人的应用实例，迄今为止，国内很少见到。并联构型的操作器，被认为是能够适应21世纪灵活多变生产环境的新一代高速、高柔性、高经济性的技术装备之一。但由于串联机器人和并联机器人在结构及许多功能特性上具有互补对偶关系，即许多并联机构的缺点正是串联机构的优点,而并联机构的优点却恰恰是串联机构的缺点。因此它们之间在应用上不是替代而是互补的关系，它们各自都有其特殊的

3、应用领域。目前许多学者正致力于将这两种机构结合起来组成串并混联式机器人，以此来扩大机器人的应用范围。所以混联机构是今后机器人领域的发展方向。而教学机器人是为人们学习机器人领域的各项最新技术服务的，应使学生们在教室中通过可以直接接触的教学机器人去感觉最新的机器人技术，机器人课程的目的才能真正得到实现。“教学型串并混联装配机械手”就是我校为配合传统教学方式的改革、适应机器人领域日新月异的发展趋势、进一步提高实验装备水平、丰富机器人教学及相应的实验内容，与天津大学合作联合研制开发的一种全新的、能够模拟实用样机功能的教学用机器人实验设备。该机械手是采用串并混联机构和开放式数控系统设计制造的教学型装配机

4、械手，该系统集成了当代多项高新技术，既可以模拟生产线上自动装配机械手的工作过程，又可以满足教学实验的要求，同时还能体现世界先进技术和最新成果。通过教学实验系统的使用，可以更好的培养学生的创造性思维能力和实践动手能力。也可作为学生毕业设计或教师研究开发的平台，供教师进行教学和科研实验使用。该实验设备数控系统采用开放式体系结构，可以根据用户需要配置最合适的控制系统，还可将用户的软件集成到系统控制器，实现系统的集成和扩展，同时也使系统的操作、维护更为方便。国外并联机构的数控系统多是基于底层核心代码完全公开的商用开放式数控系统建造的，价格昂贵。国内开发的商用开放式数控系统目前还无法满足并联机构运动控制

5、的要求，因此研究开发适合并联机构运动控制的开放式数控系统对人才培养和高新技术的普及与推广具有重要的现实意义，并具有一定的社会和经济价值。本课题的开发分为机械手结构设计与控制系统设计两部分，本文结合教学型混联装配机械手的研制设计了相应的数控系统。二设计依据1 教学实验概要机器人技术知识面较广，要实验的内容较多，一门课程不可能都涉及到，本文从为学生毕业设计作知识准备和实际应用需要的角度出发，考虑了2类实验。它们分别是：实验一：教师通过动画演示和实物分析使学生对串、并及混联机构的工作过程有动态、感性的了解，熟悉机械手及其数控系统；掌握串、并及混联机构各自的结构、特点、工作原理、运动规律、应用场合和三

6、者的区别。实验二：学生通过上机操作掌握串并混联装配机械手的使用方法，实现机械手的各种运动和屏幕演示功能。包括：（1）机械手按不同轨迹、不同速度移动和转动。（2）机械手按不同方式和不同速度实现零件的自动装配。（按行 、按列和随机装配）；（3）运用机器人语言编程实现对机械手运动的控制，分别完成（1）（2）两项功能。 图1 串并混联机械手结构图 三角支架主动杆副主动杆步进电机1 机2、3步进电机2、3 静平台从动杆动平台手爪导轨 丝杠SISLSISIGANG 机架2 机械手结构与工作原理本实验系统的机械部分采用具有天津大学自主知识产权的、目前处于世界领先水平的Diamond并联机构开发。机械手机构外

7、形及总体布局如图1所示。其中，Diamond并联机构本体是一种新型2平动自由度全铰接并联机构，由动静平台和两对支链组成，静平台通过两个支链与动平台连接，形成闭环并联结构。每个支链中包含主动杆组和从动杆组两个平行四边形机构，由一主动杆、一副主动杆、三根从动杆所组成。工作时，两个安装在静平台上的步进电机2、3分别带动两个支链中的主动杆组转动，并通过平行四边形的从动杆组使动平台在平面内作两自由度平动，通过更换在动平台上安装的气动手爪实现对不同类型物体的抓取，完成每行零件的快速装配；采用此机构可以针对实际工作情况，既可以独自完成2自由度的平动，也可与其他机构串联组成3自由度的平动。本实验系统的机械结构

8、就是由Diamond并联机构与一直线运动进给机构串接组成的3自由度串并混联机构。与其他的并联机械结构相比，这种基于少自由度并联机构的串并混联布局具有结构简单、容易进行机构位置分析及动力学分析；可动部件质量小、惯性低，可获得高速、高精度；操作灵活、工作空间较大，工作空间内无奇异点等明显的优点。图2 机构运动简图3 机械手运动学模型机械手的运动学模型是数控系统的重要组成部分，表示机械手输入与输出构件之间位置、速度甚至加速度之间的关系。 （1）位置逆解模型 位置逆解是已知输出件的位置和姿态，求解机构输入件的位置。本文所涉及的机构是已知动平台的位置求解主动关节变量。考虑到主动臂与副主动臂及三根从动臂彼

9、此等长且平行，故在建立运动模型时，将原系统简化为图2所示2自由度5杆铰接机构。对此可以建立如下闭环约束方程： (2-1) 其中： 动平台位置矢量; ； 主动杆单位矢量 ; 从动杆的单位矢量， ; 主动臂转角 从动臂转角; ; 求解得： (2-2)其中： （2）速度逆解模型 速度逆解模型是为了建立机械手操作速度和关节速度的映射关系。由式 (2-1)对时间求导得到： (2-3)求解整理后得出： (2-4)两主动臂的关节角速度 其中：雅可比矩阵 动平台点的操作速度（末端执行器的速度）三系统总体方案设计教学型机械手实验系统作为一种工业机器人系统的模拟系统，首先要在总体结构和控制功能上最大限度地反映实用

10、工业机器人样机的主要特征，如机电一体化的系统构成方式等。同时能做到结构简单，操作方便。由并联机械手运动学模型可以看出，并联机构与传统串联机构的本质区别在于，末端执行器在操作空间的运动是关节空间线性运动的非线性映射，由于目前数控系统轨迹控制算法是针对笛卡儿坐标系开发的，不能直接用于并联机构的运动控制。并联机构轨迹控制算法必须根据上式中的运动学关系开发。因此不能采用商用的数控系统，而须基于开放式结构自行开发相应的控制系统。1 数控系统硬件结构及硬件选型 装配机器人要求高速、高定位精度，大多数装配机器人采用闭环控制方式。但控制系统比较复杂，而且制造成本较高。随着步进电机技术的发展，高频、大功率、小步

11、距步进电机及驱动器的出现，大大提高了步进电机的性能，致使步进电机驱动机器人成为可能。考虑到此教学型机械手不是真正用于生产，主要用于教学与实验，具有演示功能，应有利于学生观察。因此，尽管Diamond机构可以达到很高的速度和精度，但从满足工作要求和经济性两方面因素综合考虑，手爪运动的速度和精度要求不用太高，所以本文选择步进电机作为驱动装置，构成开环控制系统，进一步降低成本。通过对教学型“串并混联装配机械手”控制系统需求进行详细分析，决定采用“NC嵌入PC”的控制方案构建开放式数控系统总体结构。选用工业控制机（IPC）作为系统平台，采用“PC+多轴运动控制器” 的典型结构搭建机械手的控制实验平台，

12、数控系统的硬件组成如图3所示。 该系统主要由工业控制机（显示器、鼠标、键盘等）、运动控制卡、步进电机、驱动器等模块组成。 为了提高系统的可靠性及易维护性，各功能模块均采用商品化部件，各模块之间的接口也符合标准化要求。此种控制方案，具有系统结构简单、成本较低、应用范围广、系统建立周期短、控制方式灵活等优点。ISA总线驱动器3驱动器1驱动器2工控机三轴高速步进电机控制卡PCL839步进电机1步进电机2步进电机3控制静平台移动控制动平台两自由度平动图3 数控系统的硬件组成（1）工业控制机（IPC）图4 PCL-839的硬件组成 采用工控机作为系统的主机，是因为工控机是一种开放式的计算机系统，可满足多

13、种工业标准，与常用的微机系统有良好的兼容性，又有大量的软硬件支持。本数控系统中的工控机（IPC）主要完成系统管理、人机交互、动态显示、工作空间轨迹规划、插补计算、运动学计算、逻辑控制及各单元间通讯等任务。因此工业控制机的品质将直接影响到整个系统的性能。从系统要实现的数据运算和运动控制功能出发，选用了北京研祥公司生产的普通箱式工业控制机IPC-810。基本配置是：IPC-6114P3底板，P866 CPU，VPHCDD型主板，PS270电源，3.5软盘驱动器，128M内存，40G硬盘。工控机内设有8个ISA插槽，6个PCI插槽，作为与板卡的接口。本系统采用的是ISA总线。（2）运动控制卡运动控制

14、卡是最主要控制单元，是数控系统的运算和控制的核心，应综合考虑系统功能、开放性等方面因素选择。本系统中只有三个步进电机，综合考虑系统功能、开放性和价格等方面因素，决定选用台湾研华工控公司生产的PCL839卡。它是一种三轴高速步进电机驱动卡，包含3个脉冲发生器，额定最大脉冲频率为16K(Pulse Persecond)。PCL-839卡硬件构成如图4所示。该卡具有的主要特点是：1) 可实现三轴联动或独立地对三轴进行控制，每轴既可分步运动，也可连续运动；2) 提供两种操作模式：双脉冲（正负脉冲）和单脉冲（脉冲加方向）模式；3) 具有37针D型接口，可以为每个轴提供步进脉冲和转向信号，驱动步进电机运动

15、，还提供每轴的五个开关控制输入，即左、右位置限位，原点，左、右减速开关； 4) 提供16路标准TTL输入/输出接点，这些接点根据需要与对应的开关量执行装置(如电磁阀、继电器等)相连接，只要通过读取I0的信号，就可对机械手爪闭合等开关量进行控制。5) 电机控制信号输出与开关信号输入全部采用光耦隔离，抗干扰性强，保证输出正确的控制脉冲，不会因干扰引起多步和失步使定位精度下降；6) 具有可编程的初始速度、终止速度、延迟时间及自动执行梯形加减速度；PCL-839卡还提供了丰富的软件功能，包括31条命令和15种C函数。这些命令主要是为了调试PCL-839命令和PCL-839卡本身。用高级语言开发的应用程

16、序可直接调用提供的库函数，只要预先设定相应的运行参数，就可用于精密的直线或旋转运动控制。（3）步进电机步进电机是一种将电脉冲信号变为相应直线位移或角位移的数/模转换器。步进电机由于控制方便、工作可靠、价格便宜等优点，在机械、电子、纺织、轻工等领域都得到了广泛的应用。根据教学演示的具体需要，本系统选用了110BYG260D-SAKRMA-0502型两相混合式步进电动机，其步距角是0.75/1.5,相电流5A，保持转矩4.0Nm，具有步距角小，启动、运行频率较高，断电后具有一定的静态定位转矩、精度和动态性能高等特点。（4）驱动器驱动器的主要功能是对来自控制机的脉冲及方向信号进行脉冲分配及功率放大，

17、从而驱动电机转动。只要控制输入脉冲的数量和频率就可精确控制步进电机的转角和速度。为使步进电机满足各种需要的输出，驱动器必须对电机提供足够的电压和电流。根据所选步进电机的性能，本文选用了满度电流为6A（大于步进电机的相电流5A）的SH-21006A型两相混合式步进电机细分驱动器，该驱动器的细分模式可在1/64至1/1之间进行选择，驱动电流调节范围是驱动电流满量程的30%至100%，大大改善了电机电流的控制精度，进一步降低了力矩的脉动。驱动器采用交流电源供电，电源电压在60VAC120VAC之间都可以正常工作。2 数控系统的软件结构及主要功能模块教学型串并混联机械手硬件结构简单，但软件部分复杂，开

18、发一套完善的数控软件是混联机械手实用化的关键。本文介绍的混联机械手软件系统是基于开放式数控系统思想，以Windows2000为系统平台，采用VB 6.0语言开发的。在对CNC系统功能全面理解的基础上，建立CNC内核的体系结构模型，划分各功能模块，在此基础上采用面向对象的编程技术，将各功能模块封装。各模块按CNC的内部工作原理编程，分模块组合设计构成整体系统。采用模块化结构设计，可靠性强，各模块出现故障可单独进行调整，当数控系统的需求有所更改时，只需修改或增减相应的功能模块，就可重新组合得到新的数控系统。此种设计思想提高了软件系统的灵活性、适应性、可靠性和可开发性。根据实验需要，构造数控系统的软

19、件结构如图5所示。该软件为多任务操作系统，系统主要模块的功能如下： （1）多任务操作模块：它是开放式数控系统中的核心管理模块。监控各任务的状态，决定任务获得CPU的优先权，并根据调度策略改变任务的状态，或让其运行，或让其等待，对系统中的各任务模块进行统一的调度和管理，协调各模块的高效运行，并辅助完成各进程间的通讯和信息交换。本系统所有软件模块均受操作模块的管理。图5 CNC系统软件结构（2）人机接口模块：提供整个机械手系统的操作框架和人机交互界面，该模块主要完成对菜单和对话框事件的响应，通过操作鼠标和键盘接受操作者的指令，根据用户的操作或总体控制任务发来的信息在屏幕上完成相应的程序编辑、文件管

20、理、参数设定、坐标显示、轨迹仿真、系统菜单、视窗及各类对话框管理等子任务。实现各种工作模式的选择、管理程序运行所需参数的设置及数据处理时的人机交互信息交流等，可完成实验方案的基本功能和软件的管理工作，并提供进入其他模块的入口。（3）轨迹插补模块：该模块是数控系统的核心模块。其任务是根据希望轨迹和插补策略，对机械手轨迹进行实时插补。调用运动学算法模块，将机械手在操作空间的运动转变为关节空间的运动，生成机械手的运动轨迹，并将各伺服轴的运动指令送给位置控制模块。控制机械手运动的速度和加速度。（4）运动学算法模块：主要为伺服驱动提供位置逆解、速度逆解和加速度逆解算法，为运动状态的实时仿真及精度补偿提供

21、正解算法。（5）位置控制模块：该模块是数控系统的另一核心模块，将插补运算的结果实时的发送给运动控制卡，完成对机械手进行高精度位置控制，控制机械手按指定的路径和速度运动。（6）方式控制模块：该模块是数控系统的基础模块，由移动、装配、单轴点动等子模块组成。在每一方式下，操作者通过操作鼠标点击系统对应的按纽完成相应的操作。（7）程序控制模块：主要完成机器人语言代码解释，包括词法分析、语法分析和中间代码生成几个阶段。通过手工编程实现对机械手的各种运动控制。（8）运动仿真模块：用VB设计的机械手动态模拟演示模块将机械手的运动以多媒体的形式在数控系统的显示屏幕上表现出来，通过图形、动画的综合效果，对机械手

22、装配中的各种动作、运动轨迹及运动速度进行动态仿真，定性模拟实验过程，并可在装配前检验零件程序的正确性和机械手运动过程的合理性。（9）动态显示模块：该模块的功能是在数控系统的显示屏幕上实时显示运动过程中手爪当前的坐标值、系统的运行状态及报警显示等信息，使操作者随时了解系统的运行状况。（10）参数管理模块：主要对机械手的尺寸参数、补偿参数、运动控制参数、运动控制卡工作参数等进行管理。 四数控系统的关键技术1 机械手运动轨迹规划轨迹是沿着无冲突路径的机器人构型的关于时间的函数。轨迹规划不仅要求机器人到达目标点，而且必须沿着要求的路径在一定精度范围内移动，往往还有速度和加速度要求。图6 装配过程机械手

23、运动路径轨迹规划是机器人控制的较为重要的基础问题，为提高机械手的运动速度应以路径最短为原则，因此选择直线作为运动路径，装配时基本路径规划如图6所示。可见，机械手的运动是按规定的路径进行的连续运动，需要在工作空间内做插补计算，并保证直线段达到一定的轨迹精度。并联机械手采用直线轨迹，映射到关节空间的运动为非线性的，对于每一轨迹段，机械手运动不能有大的冲击。所以，设定手爪的运动规律在每一段上为静止加速 减速静止，这要求动平台的速度和加速度在轨迹段的起点和终点处为零，且位移运动规律关于时间的一、二阶导数连续，三阶导数有限。由凸轮设计理论知，存在若干满足上述要求的位移运动规律可资利用，如摆线、正弦曲线，

24、以及3-4-5次和4-5-6-7次多项式等。通过对各种曲线进行运动学规划，优化确定出一种曲线作为机构的运动方式。经过优化的运动参数为：；可以解得总行程所用时间为：式中：分别表示动平台的位移、速度和加速度根据此运动规划方式，在给出任意始、末点位置及时间的情况下，就可以计算出对应的机械手位置、速度和加速度。调用逆解模型则可计算出关节空间相对应点的角度、角速度和角加速度。 若设动平台的峰值加速度为，抓取零件时上升和下降段长度为150mm，水平段针对不同的零件有不同运动距离，最大抓取距离550mm。代入相应数据后可计算出完成上述操作需要的时间为。加上抓起放下时间，走完单程时间约为1.2秒，即每分钟可装

25、配25个。安装在Diamond机构末端的手爪最大移动速度达，加速度达2g。2 插补算法插补是实现并联机构高速、高精度轨迹控制的核心。根据机械手运动控制的特点，本文基于直角坐标方案来规划运动轨迹，轨迹以手爪的直角坐标位置和姿势对时间t的函数来描述。采用基于时间采样的插补方式，按等时插补计算出各插补点在工作空间中的位置和速度，并通过逆解模型得到两主动臂关节的角位移和角速度。理论上采样周期越小，控制精度越高。实现插补功能的算法如下：1根据插补周期，将操作空间中的手部运动轨迹在时间轴上进行离散化。假定机械手完成运动所需时间T，将区间0，T分成m段（m 越大，则精度越高）。,，,， =0，=T每个子区间

26、长度为：=，（i=1m）。在每一时刻（=+），根据手部姿态运动规律计算出手爪的直角坐标位置和姿态。2调用位置和速度逆解模型，对操作空间中的离散点序进行运动学逆解计算，生成各关节空间中的微小进给段。3将计算结果输送至位置控制模块，驱动电机走出希望的运动轨迹。基于上述的插补规划，设计出机械手轨迹直线插补规划函数的插补算法如图7所示。五结束语在VB环境中开发教学型串并混联装配机械手数控系统是一次有益尝试。该系统成功实现了机械手的各项功能，并将其应用于实验样机，达到了教学实验的具体要求和预期指标。教学型串并混联装配机械手作为教学和科研的辅助装置。对机电一体化技术、机器人技术的普及和推广有着重要的社会意

27、义。参考文献1 Huang, T., Li Z.X.,Li, M., Conceptual design and dimensional synthesis of a novel 2-DOF translational parallel robot for pick-and-place operations, ASME Journal of Mechanical Design, at press2 发明人：黄田,李曚,李占贤，仅含转动副的两自由度平动并联机器人机构，国家发明专利申请号 01145160.2，2001.123 张立明, 曹作良， 教学机器人实验系统的开发，天津理工学院学报，1996.6 (12)：42464 王洪瑞主编，液压6DOF并联机器人操作手运动和力控制的研究，保定：河北大学出版社，2001.85 白建华，黄海峰，开放式CNC与现代运动控制技术的发展，机电工程, 2001,18(4):1-4叶伯生, 朱志红等, 基于PC的教学机器人控制系统，机械与电子, 2000(6):P43-45 .613863高技术研究发展计划资助项目(编号:2001AA421220)