并聯(lián)機(jī)器人末端軌跡測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

0 引言

常規(guī)工業(yè)機(jī)器人性能檢測項(xiàng)目通常包括重復(fù)定位精度、軌跡精度、速度、加速度和振動頻率等方面[1]。通常的檢測方法是基于光學(xué)設(shè)備的非接觸式的檢測，如激光追蹤儀等。此類設(shè)備有著精度高、檢測項(xiàng)目廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型機(jī)器人生產(chǎn)廠商的出廠檢測[2]。然而此類設(shè)備價(jià)格奇高，并且對使用環(huán)境及安裝等方面有嚴(yán)格的要求，不適用于小型公司或個(gè)人學(xué)習(xí)研究使用[3-5]。

針對于上述問題，本文基于拉線式位移傳感器與角度傳感器設(shè)計(jì)了一種二維平面機(jī)器人軌跡測量系統(tǒng)，該方法有著成本低廉、使用簡易、對環(huán)境的要求低等特點(diǎn)?？舍槍Σ⒙?lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行追蹤，并能檢測機(jī)器人速度、加速度等性能，驗(yàn)證軌跡規(guī)劃理論計(jì)算與模擬仿真的有效性，為并聯(lián)機(jī)器人工作性能評估提供數(shù)據(jù)支撐。

1 整體設(shè)計(jì)及原理

1.1 測量原理

實(shí)驗(yàn)測量的目的是測定一點(diǎn)在二維平面內(nèi)的運(yùn)動軌跡。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測動平臺在試驗(yàn)系統(tǒng)在極坐標(biāo)系下的運(yùn)動，得到該運(yùn)動軌跡的具體參數(shù)。通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而復(fù)現(xiàn)運(yùn)動軌跡[6]。

已知在極坐標(biāo)系下，根據(jù)半徑l與角度θ可確定空間內(nèi)任意一點(diǎn)。如圖1所示，假設(shè)A1為點(diǎn)A在t1時(shí)刻的位置，當(dāng)經(jīng)過Δt到達(dá)A2，則有

(1)

圖1 實(shí)驗(yàn)原理

由圖1可知，在△OA1A2中，已知兩邊lOA1，lOA2及其夾角Δθ，由余弦定理并結(jié)合式(1)可得lA1A2，即

(2)

因此由A1至A2的速度為

(3)

當(dāng)Δt→0時(shí)，v即為點(diǎn)A在t1時(shí)刻的瞬時(shí)速度。同理可以得點(diǎn)A在t1時(shí)刻瞬時(shí)加速度。

因此，通過對動平臺的運(yùn)動進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，得出一系列的位置點(diǎn)Ai，便可以計(jì)算出動平臺在沿預(yù)定軌跡運(yùn)動時(shí)的運(yùn)動規(guī)律。

1.2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整體組成原理如圖2所示。

圖2 末端軌跡測量系統(tǒng)組成原理

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，1.1節(jié)測量原理所述的極坐標(biāo)系原點(diǎn)，建立在拉線式位移傳感器的出線口，用于測量動平臺的位移。根據(jù)拉線式傳感器的安裝及使用要求，測量線只能沿某一方向延伸，因此為滿足測量需要，在拉線式位移傳感器出線口設(shè)置導(dǎo)向滑輪。組成細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 拉線式位移傳感器

測量線移動端與角度傳感器相連，從而可以測量動平臺相對極坐標(biāo)系原點(diǎn)的角度。具體實(shí)現(xiàn)方法為：角度傳感器固定安裝于動平臺下方，其角度測量軸與角度尺端蓋固定連接，角度尺端蓋一側(cè)與拉線式位移傳感器測量線移動端固定連接。組成細(xì)節(jié)如圖4所示。

圖4 角度傳感器

當(dāng)動平臺移動時(shí)，測量線伸出長度和伸出角度同時(shí)變化，拉線式位移傳感器輸出長度變化信號；角度尺端蓋在測量線的拉力下帶動角度測量軸旋轉(zhuǎn)，角度傳感器輸出測量線角度變化信號，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動參數(shù)動態(tài)輸出。

2 測量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

末端軌跡測量系統(tǒng)硬件主要由并聯(lián)機(jī)器人、拉線式位移傳感器、角度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電源和上位機(jī)等組成。具體組成可以分為3部分，即數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。具體如圖5所示。

圖5 末端軌跡測量系統(tǒng)硬件組成

如圖6所示，拉線式位移傳感器和角度傳感器分別檢測并聯(lián)機(jī)器人動平臺運(yùn)動時(shí)的極徑和極角，并將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器輸出的模擬量收集并通過485通訊協(xié)議輸出，由轉(zhuǎn)換接頭將數(shù)據(jù)經(jīng)USB傳遞給上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊；在上位機(jī)軟件中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終得到動平臺運(yùn)動軌跡位置、速度和加速度等參數(shù)，通過人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能夠輸出Excel。

圖6 數(shù)據(jù)傳遞及電路系統(tǒng)

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

軌跡測量系統(tǒng)的上位機(jī)是使用C#語言基于Winform模塊設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)上位機(jī)應(yīng)用程序，其功能包括下位機(jī)數(shù)據(jù)讀入、機(jī)器人運(yùn)動軌跡運(yùn)動參數(shù)動態(tài)顯示、Excel輸出等部分。

3.1 程序流程

上位機(jī)程序根據(jù)模塊化編程思想，按照初始化加載模塊、串口模塊、人機(jī)交互模塊、讀寫模塊和界面模塊等分別編寫。主程序流程如圖7所示，主要工作內(nèi)容如下：

a.初始化加載時(shí)，首先完成變量聲明、串口檢測、Excel輸出預(yù)排版等操作。

b.預(yù)處理圖形化界面，如軌跡顯示圖表、顯示樣式、圖表標(biāo)題以及點(diǎn)、線等元素的定義等。

c.串口正常連接后，按照初始或自行設(shè)置的參數(shù)，啟動數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)采集卡采集的數(shù)據(jù)，并通過timer控件不斷更新顯示區(qū)域中的圖表參數(shù)。

當(dāng)測量實(shí)驗(yàn)完成后，通過Excel輸出模塊將采集的原始數(shù)據(jù)，以及計(jì)算所得的速度、加速度等運(yùn)動數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中，從而完成軌跡追蹤實(shí)驗(yàn)流程。

3.2 測試系統(tǒng)裝配

根據(jù)測試系統(tǒng)方案對各個(gè)元件進(jìn)行裝配組裝實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。本次實(shí)驗(yàn)基于課題組自行設(shè)計(jì)的Delta并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行測試，機(jī)器人采用基于PCI總線的固高GTS400運(yùn)動控制卡作為上位機(jī)，安川伺服系統(tǒng)作為下位機(jī)控制Delta機(jī)器人的運(yùn)動。通過對比模擬仿真所得軌跡與軌跡測量系統(tǒng)所得軌跡，可以得到更為精確的研究結(jié)果。

圖8 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

4 實(shí)驗(yàn)測試

為進(jìn)一步證明系統(tǒng)有效性，并驗(yàn)證模擬計(jì)算軌跡的結(jié)果，進(jìn)行誤差測試實(shí)驗(yàn)[7]。實(shí)驗(yàn)條件如下：Delta并聯(lián)機(jī)器人；傳感器分別選用Miran公司的MPS-S-120mm-V2拉線傳感器與WOA-C180-V2角度傳感器。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

圖7 主程序流程

a.給定Delta機(jī)器人一個(gè)數(shù)值推導(dǎo)的平面運(yùn)行軌跡，并在軌跡中取20個(gè)特征點(diǎn)作為偏差比較點(diǎn)。

b.基于ADAMS模擬軟件，令Delta機(jī)器人模型根據(jù)步驟a所設(shè)定的軌跡進(jìn)行仿真運(yùn)行，輸出仿真軌跡數(shù)據(jù)。

c.基于Delta機(jī)器人運(yùn)行步驟a所設(shè)定軌跡，使用測試系統(tǒng)測量并輸出測量數(shù)據(jù)。

整理后的數(shù)據(jù)如圖9所示?？芍抡孳壽E與實(shí)際期望軌跡基本吻合，平均偏差在0.05 mm左右，可以證明數(shù)值推導(dǎo)軌跡的有效性。但由于裝配制造、選用拉線式位移傳感器與角度傳感器精度不高等因素的影響，降低了測量系統(tǒng)的測量精度。但仍舊可看到測量結(jié)果與理想軌跡趨勢大致吻合，平均偏差在1.50 mm左右。后期可選用更高精度的拉線式位移傳感器與角度傳感器，并且對測量機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、變形誤差等進(jìn)行研究與校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步提升測量效果。

圖9 精度對比

5 結(jié)束語

針對驗(yàn)證并聯(lián)機(jī)器人軌跡規(guī)劃性能的需求，為降低實(shí)驗(yàn)成本，提出了一種基于拉線傳感器的并聯(lián)機(jī)器人末端軌跡測量系統(tǒng)，闡述測量原理及其硬件構(gòu)成，并設(shè)計(jì)其上位機(jī)軟件，完成實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的裝配。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目前能夠?qū)崿F(xiàn)基本軌跡追蹤功能，主要用于對理論模型和仿真模擬過程的驗(yàn)證，進(jìn)行對比試驗(yàn)，為進(jìn)一步的軌跡規(guī)劃研究打下基礎(chǔ)。