1、引言

Delta并聯機器人在1985年誕生在瑞士的洛桑聯邦理工學院，是由R.clavel提出的，因其基座平臺和運動平臺都呈現三角形形狀而得名。當時工業生產中迫切需要一種機器人，這種機器人是一種小型化的機構，用于實現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，FlexPicker。近些年，日本Fanuc公司亦在推廣其Delta高速并聯機器人，M-3iA。本文基于實驗室獨立研發且已初步完成的Delta機器人整體架構和功能，主要從控制的角度探討Delta機器人硬件驅動控制系統的搭建，視覺識別系統的設計和軟件控制系統的方案。此方案經過實體搭建和控制運行實驗證明Delta機器人并聯機構剛性好，行動快速和定位精度高等特點，對于工業現場并聯高速搬運機器人的研發具有一定的參考價值。

2、背景介紹

工業機器人是一種程序可編程，并且具有獨立控制系統，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品。一般來講，根據結構形式不同機器人可分為串聯機器人和并聯機器人兩大類。串聯機器人是目前最常見的工業機器人，一般的串聯機器人往往有一個擬人化的機械手臂結構，即剛性連接的串行鏈，由接頭（如旋轉）連接，形成一個肩、肘或手腕。該類型機器人的優勢是作用空間較大，其缺點是一個開放的運動結構所固有的低剛度，攜帶和移動的執行器的重量過大，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等優點。在工業上并聯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。經過了幾十年的研究，雖然并聯機器人在理論上已經比較成熟，但是大部分機器人還是在大學的實驗室，走進工業生產現場的并聯機器人還比較少。隨著我國先進制造技術的發展，工業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、制造和加工的優質選擇。

3. Delta機器人硬件和軟件系統設計

完整Delta機器人的系統主要包括硬件機構設計，驅動控制系統，視覺圖識別系統和軟件控制系統組成，具體分為如下幾類：

3.1 Delta機器人總體結構設計，硬件驅動控制系統搭建

Delta高速并聯搬運機器人如圖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執行器組成（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，此閉環再與1個帶轉動關節的驅動臂相串聯，驅動臂的一端固定在靜平臺上，在電動機的驅動下做一定角度的擺動，經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，但可以在直角坐標空間沿X、Y、Z三個方向平移運動，到達機械結構運動空間范圍內任意坐標點，末端旋轉執行器安裝于動平臺下，執行器可實現360度旋轉。所以，該結構Delta并聯機器人具有4個自由度。

                             

                                                                     圖1 Delta機器人硬件結構設計

硬件驅動控制系統是由PC機連接基于PCI總線的數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動器，運動控制卡將控制指令轉換為相應的脈沖信號，然后由驅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編碼器，實時測出三個馬達的轉動位置，傳回控制系統，形成閉環。相比于部分串聯機器人的開環控制系統，該閉環控制系統通過旋轉編碼器測出馬達轉動角度，通過PID參數調節，可以更準確控制各軸的轉動角度，實現精確定位。 

3.2 Delta視覺識別系統設計

視覺識別系統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流程的目的。系統首先抓取一幅質量較好的圖像，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，區域特征，輪廓特征)等技術[2]。

其具體執行過程為，當物品進入攝像機視野時，由觸發信號驅動攝像機動作，攝取當前流水線的快照并送入上位機。根據當前的分揀策略，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系統的控制器，控制器根據接收的目的坐標地址，形成位置指令代碼，傳送到系統內部的速度規劃模組，模組根據控制要求進行直線或非線性快速運動的路徑規劃，然后將規劃的路徑按中斷時間來確定每個周期的U、V、W三個馬達的轉動量，各轉動量送給相應的馬達驅動器，驅動控制馬達轉動，馬達轉動軸端經過機構傳動，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束。

3.3 Delta軟件控制程序設計

軟件控制系統的特色是模組化設計，各個模組功能界定清晰，最大程度提高了系統在功能上的移植性和可擴展性。主要模組包括，FORM、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模組為控制系統的大腦，根據MMI模組傳送的狀態，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，轉換成INTP理解的指令；INTP模組為插補器，根據系統要求的位移方式，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：

                                  

                                                                                       圖2 程序控制流程

INTP模組是軟件控制系統的核心模組，根據系統要求的位移方式，進行路徑規劃，可以進行線性路徑或非線性圓弧等路徑規劃，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，具體路徑規劃流程如圖3所示：

                                  

                                                                           圖3 INTP模組中路徑規劃流程圖

4、Delta機器人應用領域

在國外Delta機器人已經成功的應用在大范圍的領域中，而且取得了不錯的業績。例如，在瑞士，巧克力生產商Chocolat Frey，通過采用每天可以應對40種不同包裝規格的全新高速Delta機器人包裝生產線而獲得巨大利益。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簡便易行，只需簡單的修改一下操作系統就可以適應新的包裝規格，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的末端執行器后，特別適用于電子元器件的快速裝配插接。但在輕工業的包裝，Pick-and-Place操作，醫學手術等領域，Delta機器人以其靈活性、快速搬運能力和現場的自適應性獲得極大的發展和應用。廣泛應用的領域主要有：

1、應用于食品、藥品和化妝品等的生產線快速裝盒裝箱；

2、電子元件和太陽能電池板等的快速裝配。

Delta機器人通常可與視覺系統一起用于高速拾取，從而能確定產品位置，并迅速將其拾取。但目前為止，Delta機器人只能拾取物體、使其發生旋轉后到達預定位置放下，然后旋轉回歸原位。如圖4所示：

                                    

                                                                       圖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，沿側將其放置在傳送帶上，然后進入灌裝生產線了。

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，然后用視覺系統和力傳感器在所有角度尋找產品，然后進行組裝。

5、結束語

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

作者簡介

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

參考文獻

[1] 畢勝．國內工業機器人發展現狀[J]，機械工程師，2008,7（5-7）．

[2] 劉鳳臣，姚贊峰等. 高速搬運機器人產業應用及發展[J].輕工機械2012,4(2).

[3] 肖南峰等.工業機器人[M].北京:機械工業出版社,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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