1、引言

Delta并聯(lián)機(jī)器人在1985年誕生在瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院，是由R.clavel提出的，因其基座平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)都呈現(xiàn)三角形形狀而得名。當(dāng)時(shí)工業(yè)生產(chǎn)中迫切需要一種機(jī)器人，這種機(jī)器人是一種小型化的機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[1]。直到在1999年，ABB 開始推廣自己的delta機(jī)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(jī)器人，M-3iA。本文基于實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立研發(fā)且已初步完成的Delta機(jī)器人整體架構(gòu)和功能，主要從控制的角度探討Delta機(jī)器人硬件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的搭建，視覺識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件控制系統(tǒng)的方案。此方案經(jīng)過實(shí)體搭建和控制運(yùn)行實(shí)驗(yàn)證明Delta機(jī)器人并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛性好，行動(dòng)快速和定位精度高等特點(diǎn)，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場并聯(lián)高速搬運(yùn)機(jī)器人的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

2、背景介紹

工業(yè)機(jī)器人是一種程序可編程，并且具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，抓放和操縱工具的自動(dòng)化機(jī)械裝置，是典型的機(jī)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(jī)器人可分為串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人兩大類。串聯(lián)機(jī)器人是目前最常見的工業(yè)機(jī)器人，一般的串聯(lián)機(jī)器人往往有一個(gè)擬人化的機(jī)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(gè)肩、肘或手腕。該類型機(jī)器人的優(yōu)勢是作用空間較大，其缺點(diǎn)是一個(gè)開放的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)所固有的低剛度，攜帶和移動(dòng)的執(zhí)行器的重量過大，他們可以操縱的有效載荷相對(duì)較低，鏈接的錯(cuò)誤的積累和放大等。

并聯(lián)機(jī)器人是一類全新的機(jī)器人，它具有剛度大、承載能力強(qiáng)、精度高、可柔性適應(yīng)多種流水線作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)上并聯(lián)機(jī)器人可以作為精密操作的微動(dòng)器或大件的裝配機(jī)器人等。經(jīng)過了幾十年的研究，雖然并聯(lián)機(jī)器人在理論上已經(jīng)比較成熟，但是大部分機(jī)器人還是在大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的并聯(lián)機(jī)器人還比較少。隨著我國先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已從當(dāng)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(jī)器人硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

完整Delta機(jī)器人的系統(tǒng)主要包括硬件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，視覺圖識(shí)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(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，硬件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)搭建

Delta高速并聯(lián)搬運(yùn)機(jī)器人如圖1所示，具有4個(gè)自由度，主要由靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)、3根主動(dòng)桿、3組平行四邊形從動(dòng)支鏈和動(dòng)平臺(tái)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(tái)的3組驅(qū)動(dòng)單元通過3條相同的運(yùn)動(dòng)鏈分別與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的3條邊鉸接。每條運(yùn)動(dòng)鏈中有1個(gè)由4個(gè)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(gè)帶轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)臂相串聯(lián)，驅(qū)動(dòng)臂的一端固定在靜平臺(tái)上，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做一定角度的擺動(dòng)，經(jīng)過機(jī)械傳動(dòng)控制動(dòng)平臺(tái)的遠(yuǎn)動(dòng)[3]。這3條運(yùn)動(dòng)鏈決定了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不能繞任何軸線旋轉(zhuǎn)，但可以在直角坐標(biāo)空間沿X、Y、Z三個(gè)方向平移運(yùn)動(dòng)，到達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間范圍內(nèi)任意坐標(biāo)點(diǎn)，末端旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器安裝于動(dòng)平臺(tái)下，執(zhí)行器可實(shí)現(xiàn)360度旋轉(zhuǎn)。所以，該結(jié)構(gòu)Delta并聯(lián)機(jī)器人具有4個(gè)自由度。

                             

                                                                     圖1 Delta機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是由PC機(jī)連接基于PCI總線的數(shù)字式伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，再通過運(yùn)動(dòng)控制卡連接三個(gè)交流伺服馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)動(dòng)控制卡將控制指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的脈沖信號(hào)，然后由驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)控制三個(gè)主動(dòng)桿馬達(dá)；每個(gè)伺服馬達(dá)后面都裝有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，實(shí)時(shí)測出三個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，傳回控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)。相比于部分串聯(lián)機(jī)器人的開環(huán)控制系統(tǒng)，該閉環(huán)控制系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器測出馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，通過PID參數(shù)調(diào)節(jié)，可以更準(zhǔn)確控制各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)精確定位。 

3.2 Delta視覺識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視覺識(shí)別系統(tǒng)使用非接觸式光學(xué)傳感器自動(dòng)獲取和解釋某真實(shí)場景的圖像，以達(dá)到獲取信息和控制機(jī)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(yīng)用所采集的圖像中，搜索具有相似特征的區(qū)域，進(jìn)行圖像配比，以一個(gè)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(dāng)物品進(jìn)入攝像機(jī)視野時(shí)，由觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)攝像機(jī)動(dòng)作，攝取當(dāng)前流水線的快照并送入上位機(jī)。根據(jù)當(dāng)前的分揀策略，上位機(jī)在攝像機(jī)拍攝的快照中捕捉感興趣物體的特征，如果找到具有對(duì)應(yīng)特征的物體，則根據(jù)相應(yīng)的算法對(duì)圖像進(jìn)行解碼，確定出物體的空間位置坐標(biāo)，然后將該物體的位置坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)行直線或非線性快速運(yùn)動(dòng)的路徑規(guī)劃，然后將規(guī)劃的路徑按中斷時(shí)間來確定每個(gè)周期的U、V、W三個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)量，各轉(zhuǎn)動(dòng)量送給相應(yīng)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)軸端經(jīng)過機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，可以成功控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的末端到達(dá)指定位置后抓取物體。至此，一個(gè)完整的控制流程結(jié)束。

3.3 Delta軟件控制程序設(shè)計(jì)

軟件控制系統(tǒng)的特色是模組化設(shè)計(jì)，各個(gè)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(kuò)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(duì)應(yīng)FORM中的每個(gè)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(duì)應(yīng)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(bǔ)器，根據(jù)系統(tǒng)要求的位移方式，計(jì)算出每個(gè)Interupt的時(shí)間須送出的位置點(diǎn)；PCL模組為位置控制回路，根據(jù)INTP送來的位置配合馬達(dá)的反饋值，做位置控制。其程序控制流程如圖2所示：

                                  

                                                                                       圖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(jìn)行路徑規(guī)劃，可以進(jìn)行線性路徑或非線性圓弧等路徑規(guī)劃，INTP計(jì)算出每個(gè)Interupt的時(shí)間須送出的位置點(diǎn)，然后將該值寫入FIFO堆棧，PCL通過響應(yīng)軸卡中的定時(shí)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：

                                  

                                                                           圖3 INTP模組中路徑規(guī)劃流程圖

4、Delta機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域

在國外Delta機(jī)器人已經(jīng)成功的應(yīng)用在大范圍的領(lǐng)域中，而且取得了不錯(cuò)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(yīng)對(duì)40種不同包裝規(guī)格的全新高速Delta機(jī)器人包裝生產(chǎn)線而獲得巨大利益。由于Delta機(jī)器人減少了Chocolat Frey公司的工作量，最主要的是整個(gè)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(yīng)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(yīng)對(duì)市場的新需求。

當(dāng)初，當(dāng)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上裝上適當(dāng)?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(xué)手術(shù)等領(lǐng)域，Delta機(jī)器人以其靈活性、快速搬運(yùn)能力和現(xiàn)場的自適應(yīng)性獲得極大的發(fā)展和應(yīng)用。廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域主要有：

1、應(yīng)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(jī)器人通常可與視覺系統(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(jī)器人只能拾取物體、使其發(fā)生旋轉(zhuǎn)后到達(dá)預(yù)定位置放下，然后旋轉(zhuǎn)回歸原位。如圖4所示：

                                    

                                                                       圖4 Delta Robot高速抓取物體

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

其他用途則涉及到復(fù)雜組件，例如某些電子消費(fèi)品。這時(shí)，機(jī)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(jìn)行組裝。

5、結(jié)束語

Delta機(jī)器人是并聯(lián)機(jī)器人的一個(gè)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(jī)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(qiáng)的柔性設(shè)計(jì)，經(jīng)簡單修改即可適應(yīng)不同的流水線作業(yè)。綜上所述，Delta機(jī)器人作為機(jī)器人行業(yè)中的佼佼者，具有很高的研究價(jià)值和解決中國實(shí)際的現(xiàn)實(shí)價(jià)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(dòng)化

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