并联机器人在高职高专教学中的应用

陈熠道

摘要：本文主要讲述了什么是并联机器人，目前在教学中存在的问题和需要解决的关键问题。在分析了设计并联机器人的理念和目的情况下，对6角度并联机械手进行了详细的说明和功能上应用的要求，随着生产企业的不断发展，对并联机器人的需求将引导高校对这门科学在教学中的探索和研究。并联机器人主要的部件是并联机械手，其结构部件有其特殊性，也有其作为一般机械手的普遍性，为求经济性也并不是越简单越好。

关键词：并联机器人、机器人工业化、机械手

中图分类号：TP24 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）11（a）-0000-00

工欲善其事，必先利其器。设备是生产发展的基本要素之一。随着人类社会的文明与进步，人们所使用的设备也在不断进步。尤其是从二次大战之后，人类的科技成果数量每10至15年翻一番。也就是说，今后的10至15年间所产生的科技成果相当于历史上人类全部成果的总和。在此基础上近年来新起的机器人技术处于目前工业科技的前沿，主要包括串联机器人和并联机器人。

并联机器人的机构定义为：使用上，下两个平台2个以及2个以上分支相连，机构拥有的自由度在2个以及2个以上的，而且是以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。

只要是多自由度驱动器分配在不同环境上的多环路机构，从广义机构学的角度来看都可称之为并联机构，如步行机器人，多指手爪等。

1目前的问题

国内教育机器人多数生产厂家仍旧停留在移动教育机器人范围内，造价及科技含量比较偏颇，多数只能适应中小学教育需要，一定程度上具有的观赏和研究性质。类似以上这种智能机器人技术只涉及到现代工业设计、建筑结构、机械结构等多学科，应用起来仅仅是编写程序，使得产品在整合各学科知识系统上做得不够，而且使用者多数只是一味地追求在比赛中取得好成绩，而忽略了教育的意义，这与我国目前教育的最高宗旨是完全背离的。

目前一部分国内教育机器人方向具有以下不利特点：

1）技术开放性低，着重软件性能，学生只能进行简单的编程操作。

2）单片机简单控制，无扩展性。

3）产品注重的是趣味性和娱乐性，教育含量甚少。基本与工业现场应用无关。

4）绝大多数机器人面对中小学。且产品的售后服务方面重视不够。

5）包含技术针对工业现场机器人应用基本无联系。

以工业机器人为基础，以实际应用为目标，研发多种機器人产品，需要解决以下关键技术：

（1）基于低成本和一致性要求的系统设计

（2）机器人模块化可重组技术

（3）机器人工业化操作技术

（4）机器人开放性、可视化研究

（5）智能化设计

2开发并联机器人的目的和设计理念

并联机器人具有高度的能动性和灵活性，具备广阔的开阔空间，作为一个动力学复杂系统，多输入多输出的是它的特性。并联机器人还是进行控制系统设计的相对理想平台，作为进行运动规划和编程系统设计，非常方便简单。

因为并联机器人部分技术目前国际还没有解决，一定程度影响了并联机器人应用，但近几年工业化发展，部分并联机器人 构型已开始在工业上应用。如模拟器类、并联机床、delta型并联分拣机器人等。关于并联机器人使用、维护和操作人才需要也越来越重要。因此，同串联机器人一样，也需要教学用工业作业型教学版并联机器人，满足教学需求。

并联机器人作为一种新型的机器人形式目前正在得到越来越多的应用，相比较串联机器人，这种机器人具有简单的结构、比较大的刚度、较强的承载能力、较小的误差等特点，可以与串联机器人形成了良好的互补关系。应用的范围包括机床加工、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、岩土挖掘、光学调整、医疗机械等领域。

结合工业常见并联机器人机构形式和教学特点，解决模块化设计、低成本制造、开放性设计等关键技术。具体思路如下：

1）确定机器人作业为电动主轴加工，模拟并联机床作业

2）采用高精度滚珠丝杠产品。满足教学精度情况下低成本设计

3）驱动采用全步进电机或全伺服电机驱动，统一机电接口，电机可随意更换

4）机械传动结构可视化设计，满足教学需要

5）机电结构开放性设计，开放二次开发函数和控制算法。

3 并联机械手主要结构和特点

并联机械手由本体支架、底座、驱动模块、连杆、活动平台、末端工具、电气控制系统、控制软件组成。

主要部件：步进电机（或伺服电机）及驱动器、滚珠丝杠、直线导轨、连杆、底盘圆、活动盘。

材质：钢与超硬铝材料；

嵌入式控制系统、电机驱动器及电机、电源、控制柜、操作电路机器人是组成控制系统的主要部分。

在嵌入式计算机的内部安装有运动控制卡和操作系统。

运动控制卡是由高性能DSP处理器、CPLD可编程器件以及伺服电机接口器件等组成，具体可以用于控制伺服电机的位置、速度、加速度，还可以控制多个伺服电机的多轴协调。主要功能包括：规划S形、梯形自动加减速曲线；在输出状态时控制脉冲到电机驱动器令电机运动；因为具备编码器位置反馈信号接口，可以监控电机实际运行状态；在利用零位开关、减速开关及编码器Z相信号实现高速高精度原点返回操作；拥有伺服驱动器专用信号接口—伺服驱动器报警信号ALM等。

电源部分用来给控制柜提供各驱动器的控制用电源，包括相关保护、滤波器件等。

操作电路提供电气系统所需的电源开、关顺序操作及保护、报警、状态指示等控制操作。

我们认为只要是动平台和定平台通过不少于两个独立的运动链相连接，机构拥有两个或者两个以上自由度，而且是以并联方式驱动的一种闭环机构， 都可以叫做并联机构（Parallel Mechanism，简称PM）。

并联机器人机构中应用较广的是六自由度并联机构，国内外学者研究得最多，其目前广泛应用于飞行模拟器、六维力与力矩传感器以及并联机床等领域。但是这种机构现在还有很多关键性技术没有完全得到解决，比如说运动学正解、动力学模型的建立又或者并联机床的精度标定等。如果从完全并联的角度出发，此类机构必须具有六个运动链。只是在现有的并联机构中，也存在拥有三个运动链的六自由度并联机构，如3-PRPS 和3-URS 等机构，还有在三个分支的每个分支上附加一个五杆机构作为驱动机构的六自由度并联机构等。需具备如下特点：

工业标准设计，本体采用型钢与超硬铝材料，刚度大、负载高。

模块化结构，简单、紧凑。

控制系统人机交互良好，采用图形化示教盒进行操作、控制。同时二次开发时可以提供相应Windows環境接口。

驱动方式：全步进或全伺服电机驱动。

提供通用六自由度并联机器人语言编程系统，可通过图形示教自动生成六自由度并联机器人语言等程序。

提供实验教材，内容涵盖机器人运动学、动力学、控制系统的设计、轨迹规划等。用户可以从中选择相关内容满足不同层次的教学实验需要。

具备实际运动控制、实物演示及实物操作等功能。

软件开放接口，线缆长度满足正常使用，可与控制系统电控柜直接连接。开放接口可以用于教师或学生对于设备功能的二次开发。

具备软件的可升级功能。

具备计算机联网和系统进一步扩展功能。

机器人本体的主要关节及传动部分在不影响机器人刚度的基础上，采用透明式封装，机构可视便于教学实验。

机器人系统包括机器人本体、机器人控制系统、控制软件、机器人末端执行机构、夹具、实验指导书及使用说明书等。

4 结束语

从理论的产生到瓦特的第一个蒸汽机发明用了整整80年时间，而近代原子弹的研制才用了 6年时间，激光器的研制仅用了一年时间。昨天的科学幻想，今天、 明天就可能成为现实。当代的原子能技术、计算机科学、微电子技术、材料科学、遗传工程、遥感技术、海洋技术、激光、光导技术、纳米技术、模糊工程、神经网络技术等如万簇齐发， 蓬勃发展。一种技术可以应用在多类设备上，而一类设备又可能蕴含着多种技术。技术进步和产业革命使今天的设备朝着大型化、复杂化、高级化、连续化、自动化、微型化等方向迅速发展。如果说自行车的零件数量仅为100、1000数量级，而今天的宇宙飞船已超过了100万数量级。

现代设备已成为现代科技的综合体现。这使得当代设备的故障诊断不但十分重要，而且日益复杂并具有较高的技术难度。

参考文献

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[4] 杨斌久，蔡光起，罗继曼，朱春霞. 少自由度并联机器人的研究现状[J]. 机床与液压. 2006（05）