1、引言

Delta并聯(lián)機器人在1985年誕生在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學院，是由R.clavel提出的，因其基座平臺和運動平臺都呈現(xiàn)三角形形狀而得名。當時工業(yè)生產(chǎn)中迫切需要一種機器人，這種機器人是一種小型化的機構(gòu)，用于實現(xiàn)對輕小物件的快速抓取和放置，每秒能完成兩次以上的循環(huán)操作，Delta機器人應運而生[1]。直到在1999年，ABB 開始推廣自己的delta機器人，F(xiàn)lexPicker。近些年，日本Fanuc公司亦在推廣其Delta高速并聯(lián)機器人，M-3iA。本文基于實驗室獨立研發(fā)且已初步完成的Delta機器人整體架構(gòu)和功能，主要從控制的角度探討Delta機器人硬件驅(qū)動控制系統(tǒng)的搭建，視覺識別系統(tǒng)的設(shè)計和軟件控制系統(tǒng)的方案。此方案經(jīng)過實體搭建和控制運行實驗證明Delta機器人并聯(lián)機構(gòu)剛性好，行動快速和定位精度高等特點，對于工業(yè)現(xiàn)場并聯(lián)高速搬運機器人的研發(fā)具有一定的參考價值。

2、背景介紹

工業(yè)機器人是一種程序可編程，并且具有獨立控制系統(tǒng)，抓放和操縱工具的自動化機械裝置，是典型的機電一體化高科技產(chǎn)品。一般來講，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同機器人可分為串聯(lián)機器人和并聯(lián)機器人兩大類。串聯(lián)機器人是目前最常見的工業(yè)機器人，一般的串聯(lián)機器人往往有一個擬人化的機械手臂結(jié)構(gòu)，即剛性連接的串行鏈，由接頭（如旋轉(zhuǎn)）連接，形成一個肩、肘或手腕。該類型機器人的優(yōu)勢是作用空間較大，其缺點是一個開放的運動結(jié)構(gòu)所固有的低剛度，攜帶和移動的執(zhí)行器的重量過大，他們可以操縱的有效載荷相對較低，鏈接的錯誤的積累和放大等。

并聯(lián)機器人是一類全新的機器人，它具有剛度大、承載能力強、精度高、可柔性適應多種流水線作業(yè)等優(yōu)點。在工業(yè)上并聯(lián)機器人可以作為精密操作的微動器或大件的裝配機器人等。經(jīng)過了幾十年的研究，雖然并聯(lián)機器人在理論上已經(jīng)比較成熟，但是大部分機器人還是在大學的實驗室，走進工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的并聯(lián)機器人還比較少。隨著我國先進制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人已從當初的柔性上下料裝置，正在成為高效率、高度柔性和可重組裝配、制造和加工的優(yōu)質(zhì)選擇。

3. Delta機器人硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計

完整Delta機器人的系統(tǒng)主要包括硬件機構(gòu)設(shè)計，驅(qū)動控制系統(tǒng)，視覺圖識別系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)組成，具體分為如下幾類：

3.1 Delta機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，硬件驅(qū)動控制系統(tǒng)搭建

Delta高速并聯(lián)搬運機器人如圖1所示，具有4個自由度，主要由靜平臺、動平臺、3根主動桿、3組平行四邊形從動支鏈和動平臺末端旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器組成（目前暫未裝上）。從圖1中可以看出，靜平臺的3組驅(qū)動單元通過3條相同的運動鏈分別與運動平臺的3條邊鉸接。每條運動鏈中有1個由4個虎克鉸與桿件組成的平行四邊形閉環(huán)，此閉環(huán)再與1個帶轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的驅(qū)動臂相串聯(lián)，驅(qū)動臂的一端固定在靜平臺上，在電動機的驅(qū)動下做一定角度的擺動，經(jīng)過機械傳動控制動平臺的遠動[3]。這3條運動鏈決定了運動平臺的運動特性，運動平臺不能繞任何軸線旋轉(zhuǎn)，但可以在直角坐標空間沿X、Y、Z三個方向平移運動，到達機械結(jié)構(gòu)運動空間范圍內(nèi)任意坐標點，末端旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器安裝于動平臺下，執(zhí)行器可實現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。所以，該結(jié)構(gòu)Delta并聯(lián)機器人具有4個自由度。

                             

                                                                     åœ–1 Delta機器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

硬件驅(qÅ«)動控制系統(tÇ’ng)是由PC機連接基于PCI總線的數(shù)字式伺服電機運動控制卡，再通過運動控制卡連接三個交流伺服馬達的驅(qÅ«)動器，運動控制卡將控制指令轉(zhuÇŽn)換為相應的脈沖信號，然后由驅(qÅ«)動器輸出信號控制三個主動桿馬達；每個伺服馬達后面都裝有增量式旋轉(zhuÇŽn)編碼器，實時測出三個馬達的轉(zhuÇŽn)動位置，傳回控制系統(tÇ’ng)，形成閉環(huán)。相比于部分串聯(lián)機器人的開環(huán)控制系統(tÇ’ng)，該閉環(huán)控制系統(tÇ’ng)通過旋轉(zhuÇŽn)編碼器測出馬達轉(zhuÇŽn)動角度，通過PID參數(shù)調(diào)節(jié)，可以更準確控制各軸的轉(zhuÇŽn)動角度，實現(xiàn)精確定位。 

3.2 Delta視覺識別系統(tǒng)設(shè)計

視覺識別系統(tǒng)使用非接觸式光學傳感器自動獲取和解釋某真實場景的圖像，以達到獲取信息和控制機器及生產(chǎn)流程的目的。系統(tǒng)首先抓取一幅質(zhì)量較好的圖像，提取物體的特征，然后在具體應用所采集的圖像中，搜索具有相似特征的區(qū)域，進行圖像配比，以一個相似度的閾值來判定物體是否存在。過程中使用如圖像分割(閾值分割，邊緣分割)和特征提取(灰度特征，區(qū)域特征，輪廓特征)等技術(shù)[2]。

其具體執(zhí)行過程為，當物品進入攝像機視野時，由觸發(fā)信號驅(qū)動攝像機動作，攝取當前流水線的快照并送入上位機。根據(jù)當前的分揀策略，上位機在攝像機拍攝的快照中捕捉感興趣物體的特征，如果找到具有對應特征的物體，則根據(jù)相應的算法對圖像進行解碼，確定出物體的空間位置坐標，然后將該物體的位置坐標信息送入Delta系統(tǒng)的控制器，控制器根據(jù)接收的目的坐標地址，形成位置指令代碼，傳送到系統(tǒng)內(nèi)部的速度規(guī)劃模組，模組根據(jù)控制要求進行直線或非線性快速運動的路徑規(guī)劃，然后將規(guī)劃的路徑按中斷時間來確定每個周期的U、V、W三個馬達的轉(zhuǎn)動量，各轉(zhuǎn)動量送給相應的馬達驅(qū)動器，驅(qū)動控制馬達轉(zhuǎn)動，馬達轉(zhuǎn)動軸端經(jīng)過機構(gòu)傳動，可以成功控制運動平臺的末端到達指定位置后抓取物體。至此，一個完整的控制流程結(jié)束。

3.3 Delta軟件控制程序設(shè)計

軟件控制系統(tǒng)的特色是模組化設(shè)計，各個模組功能界定清晰，最大程度提高了系統(tǒng)在功能上的移植性和可擴展性。主要模組包括，F(xiàn)ORM、MMI(Man Manchine Interface)、SYS(System)、DEC(Decoder)、INTP(Interpolator)、PCL(Position Control Loop)等。MMI模組對應FORM中的每個元件DATA；SYS模組為控制系統(tǒng)的大腦，根據(jù)MMI模組傳送的狀態(tài)，做出對應的指令給DEC、INTP和PCL；DEC模組為解譯器，將NC Coder的指令做分析，轉(zhuǎn)換成INTP理解的指令；INTP模組為插補器，根據(jù)系統(tǒng)要求的位移方式，計算出每個Interupt的時間須送出的位置點；PCL模組為位置控制回路，根據(jù)INTP送來的位置配合馬達的反饋值，做位置控制。其程序控制流程如圖2所示：

                                  

                                                                                       åœ–2 程序控制流程

INTP模組是軟件控制系統(tǒng)的核心模組，根據(jù)系統(tǒng)要求的位移方式，進行路徑規(guī)劃，可以進行線性路徑或非線性圓弧等路徑規(guī)劃，INTP計算出每個Interupt的時間須送出的位置點，然后將該值寫入FIFO堆棧，PCL通過響應軸卡中的定時器中斷來讀取FIFO中的位置指令值，具體路徑規(guī)劃流程如圖3所示：

                                  

                                                                           åœ–3 INTP模組中路徑規(guÄ«)劃流程圖

4、Delta機器人應用領(lǐng)域

在國外Delta機器人已經(jīng)成功的應用在大范圍的領(lǐng)域中，而且取得了不錯的業(yè)績。例如，在瑞士，巧克力生產(chǎn)商Chocolat Frey，通過采用每天可以應對40種不同包裝規(guī)格的全新高速Delta機器人包裝生產(chǎn)線而獲得巨大利益。由于Delta機器人減少了Chocolat Frey公司的工作量，最主要的是整個操作系統(tǒng)簡便易行，只需簡單的修改一下操作系統(tǒng)就可以適應新的包裝規(guī)格，這種簡易性使得該公司可以快速而從容的應對市場的新需求。

當初，當在運動平臺上裝上適當?shù)哪┒藞?zhí)行器后，特別適用于電子元器件的快速裝配插接。但在輕工業(yè)的包裝，Pick-and-Place操作，醫(yī)學手術(shù)等領(lǐng)域，Delta機器人以其靈活性、快速搬運能力和現(xiàn)場的自適應性獲得極大的發(fā)展和應用。廣泛應用的領(lǐng)域主要有：

1、應用于食品、藥品和化妝品等的生產(chǎn)線快速裝盒裝箱；

2、電子元件和太陽能電池板等的快速裝配。

Delta機器人通?？膳c視覺系統(tǒng)一起用于高速拾取，從而能確定產(chǎn)品位置，并迅速將其拾取。但目前為止，Delta機器人只能拾取物體、使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)后到達預定位置放下，然后旋轉(zhuǎn)回歸原位。如圖4所示：

                                    

                                                                       åœ–4 Delta Robot高速抓取物體

另一個用途是用于對各種瓶子進行解擾。對洗發(fā)水或清潔劑塑料瓶進行成型時，往往其倒入一個大料斗。該理念就是要找到一個平放的瓶子，將其拾起，沿側(cè)將其放置在傳送帶上，然后進入灌裝生產(chǎn)線了。

其他用途則涉及到復雜組件，例如某些電子消費品。這時，機器人可能需要配備用于部件的托盤，然后用視覺系統(tǒng)和力傳感器在所有角度尋找產(chǎn)品，然后進行組裝。

5、結(jié)束語

Delta機器人是并聯(lián)機器人的一個典型代表，在不少領(lǐng)域有潛在的用途，從本文的初步分析可見，Delta機構(gòu)具有高精度和高剛度，執(zhí)行器末端具有快速性和靈活性，更重要的是系統(tǒng)具有較強的柔性設(shè)計，經(jīng)簡單修改即可適應不同的流水線作業(yè)。綜上所述，Delta機器人作為機器人行業(yè)中的佼佼者，具有很高的研究價值和解決中國實際的現(xiàn)實價值。

作者簡介

劉海波（1989-） 男 在讀碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)自動化

參考文獻

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[3] 肖南峰等.工業(yè)機器人[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.

[4] 蔡自興．機器人學[M]，北京：清華大學出版社，2009．

[5] 張利敏，梅江平，趙雪敏等. Delta機械手動力尺度綜合[J].機械工程學報，2010，46(3) 

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