并聯(lián)機器人在高職高專教學(xué)中的應(yīng)用

陳熠道

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

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機器人、機器人工業(yè)化、機械手

中圖分類號：TP24 文獻標(biāo)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(shè)備是生產(chǎn)發(fā)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(shè)備也在不斷進步。尤其是從二次大戰(zhàn)之后，人類的科技成果數(shù)量每10至15年翻一番。也就是說，今后的10至15年間所產(chǎn)生的科技成果相當(dāng)于歷史上人類全部成果的總和。在此基礎(chǔ)上近年來新起的機器人技術(shù)處于目前工業(yè)科技的前沿，主要包括串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人。

并聯(lián)機器人的機構(gòu)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(gòu)擁有的自由度在2個以及2個以上的，而且是以并聯(lián)方式驅(qū)動的機構(gòu)稱為并聯(lián)機器人機構(gòu)。

只要是多自由度驅(qū)動器分配在不同環(huán)境上的多環(huán)路機構(gòu)，從廣義機構(gòu)學(xué)的角度來看都可稱之為并聯(lián)機構(gòu)，如步行機器人，多指手爪等。

1目前的問題

國內(nèi)教育機器人多數(shù)生產(chǎn)廠家仍舊停留在移動教育機器人范圍內(nèi)，造價及科技含量比較偏頗，多數(shù)只能適應(yīng)中小學(xué)教育需要，一定程度上具有的觀賞和研究性質(zhì)。類似以上這種智能機器人技術(shù)只涉及到現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)等多學(xué)科，應(yīng)用起來僅僅是編寫程序，使得產(chǎn)品在整合各學(xué)科知識系統(tǒng)上做得不夠，而且使用者多數(shù)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(nèi)教育機器人方向具有以下不利特點：

1）技術(shù)開放性低，著重軟件性能，學(xué)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(chǎn)品注重的是趣味性和娛樂性，教育含量甚少。基本與工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用無關(guān)。

4）絕大多數(shù)機器人面對中小學(xué)。且產(chǎn)品的售后服務(wù)方面重視不夠。

5）包含技術(shù)針對工業(yè)現(xiàn)場機器人應(yīng)用基本無聯(lián)系。

以工業(yè)機器人為基礎(chǔ)，以實際應(yīng)用為目標(biāo)，研發(fā)多種機器人產(chǎn)品，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）基于低成本和一致性要求的系統(tǒng)設(shè)計

（2）機器人模塊化可重組技術(shù)

（3）機器人工業(yè)化操作技術(shù)

（4）機器人開放性、可視化研究

（5）智能化設(shè)計

2開發(fā)并聯(lián)機器人的目的和設(shè)計理念

并聯(lián)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(xué)復(fù)雜系統(tǒng)，多輸入多輸出的是它的特性。并聯(lián)機器人還是進行控制系統(tǒng)設(shè)計的相對理想平臺，作為進行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計，非常方便簡單。

因為并聯(lián)機器人部分技術(shù)目前國際還沒有解決，一定程度影響了并聯(lián)機器人應(yīng)用，但近幾年工業(yè)化發(fā)展，部分并聯(lián)機器人 構(gòu)型已開始在工業(yè)上應(yīng)用。如模擬器類、并聯(lián)機床、delta型并聯(lián)分揀機器人等。關(guān)于并聯(lián)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(lián)機器人一樣，也需要教學(xué)用工業(yè)作業(yè)型教學(xué)版并聯(lián)機器人，滿足教學(xué)需求。

并聯(lián)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(yīng)用，相比較串聯(lián)機器人，這種機器人具有簡單的結(jié)構(gòu)、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(lián)機器人形成了良好的互補關(guān)系。應(yīng)用的范圍包括機床加工、航天器對接機構(gòu)、汽車裝配線、運動模擬器、巖土挖掘、光學(xué)調(diào)整、醫(yī)療機械等領(lǐng)域。

結(jié)合工業(yè)常見并聯(lián)機器人機構(gòu)形式和教學(xué)特點，解決模塊化設(shè)計、低成本制造、開放性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。具體思路如下：

1）確定機器人作業(yè)為電動主軸加工，模擬并聯(lián)機床作業(yè)

2）采用高精度滾珠絲杠產(chǎn)品。滿足教學(xué)精度情況下低成本設(shè)計

3）驅(qū)動采用全步進電機或全伺服電機驅(qū)動，統(tǒng)一機電接口，電機可隨意更換

4）機械傳動結(jié)構(gòu)可視化設(shè)計，滿足教學(xué)需要

5）機電結(jié)構(gòu)開放性設(shè)計，開放二次開發(fā)函數(shù)和控制算法。

3 并聯(lián)機械手主要結(jié)構(gòu)和特點

并聯(lián)機械手由本體支架、底座、驅(qū)動模塊、連桿、活動平臺、末端工具、電氣控制系統(tǒng)、控制軟件組成。

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

材質(zhì)：鋼與超硬鋁材料；

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

在嵌入式計算機的內(nèi)部安裝有運動控制卡和操作系統(tǒng)。

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(xié)調(diào)。主要功能包括：規(guī)劃S形、梯形自動加減速曲線；在輸出狀態(tài)時控制脈沖到電機驅(qū)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(jiān)控電機實際運行狀態(tài)；在利用零位開關(guān)、減速開關(guān)及編碼器Z相信號實現(xiàn)高速高精度原點返回操作；擁有伺服驅(qū)動器專用信號接口—伺服驅(qū)動器報警信號ALM等。

電源部分用來給控制柜提供各驅(qū)動器的控制用電源，包括相關(guān)保護、濾波器件等。

操作電路提供電氣系統(tǒng)所需的電源開、關(guān)順序操作及保護、報警、狀態(tài)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(gòu)擁有兩個或者兩個以上自由度，而且是以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)， 都可以叫做并聯(lián)機構(gòu)（Parallel Mechanism，簡稱PM）。

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

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，本體采用型鋼與超硬鋁材料，剛度大、負載高。

模塊化結(jié)構(gòu)，簡單、緊湊。

控制系統(tǒng)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(fā)時可以提供相應(yīng)Windows環(huán)境接口。

驅(qū)動方式：全步進或全伺服電機驅(qū)動。

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

提供實驗教材，內(nèi)容涵蓋機器人運動學(xué)、動力學(xué)、控制系統(tǒng)的設(shè)計、軌跡規(guī)劃等。用戶可以從中選擇相關(guān)內(nèi)容滿足不同層次的教學(xué)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(tǒng)電控柜直接連接。開放接口可以用于教師或?qū)W生對于設(shè)備功能的二次開發(fā)。

具備軟件的可升級功能。

具備計算機聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)進一步擴展功能。

機器人本體的主要關(guān)節(jié)及傳動部分在不影響機器人剛度的基礎(chǔ)上，采用透明式封裝，機構(gòu)可視便于教學(xué)實驗。

機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制系統(tǒng)、控制軟件、機器人末端執(zhí)行機構(gòu)、夾具、實驗指導(dǎo)書及使用說明書等。

4 結(jié)束語

從理論的產(chǎn)生到瓦特的第一個蒸汽機發(fā)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(xué)幻想，今天、 明天就可能成為現(xiàn)實。當(dāng)代的原子能技術(shù)、計算機科學(xué)、微電子技術(shù)、材料科學(xué)、遺傳工程、遙感技術(shù)、海洋技術(shù)、激光、光導(dǎo)技術(shù)、納米技術(shù)、模糊工程、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等如萬簇齊發(fā)， 蓬勃發(fā)展。一種技術(shù)可以應(yīng)用在多類設(shè)備上，而一類設(shè)備又可能蘊含著多種技術(shù)。技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)革命使今天的設(shè)備朝著大型化、復(fù)雜化、高級化、連續(xù)化、自動化、微型化等方向迅速發(fā)展。如果說自行車的零件數(shù)量僅為100、1000數(shù)量級，而今天的宇宙飛船已超過了100萬數(shù)量級。

現(xiàn)代設(shè)備已成為現(xiàn)代科技的綜合體現(xiàn)。這使得當(dāng)代設(shè)備的故障診斷不但十分重要，而且日益復(fù)雜并具有較高的技術(shù)難度。

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