3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)設(shè)計*

李麗麗林明勇曹永軍周磊

（1.順德職業(yè)技術(shù)學院 2.廣東省智能制造研究所 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室3.華南智能機器人創(chuàng)新研究院）

3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)設(shè)計*

李麗麗1林明勇2,3曹永軍2,3周磊2

（1.順德職業(yè)技術(shù)學院 2.廣東省智能制造研究所 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室3.華南智能機器人創(chuàng)新研究院）

基于自行設(shè)計的3自由度Delta機器人，設(shè)計一種基于上位PC機和運動控制器的控制系統(tǒng)。采用Windows操作系統(tǒng)，利用Indra Works Engineering軟件設(shè)計MLC25控制器的運動控制程序，運用Visual Studio 2010軟件設(shè)計上位機界面，開發(fā)了3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)。試驗表明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡易。

Delta機器人；控制系統(tǒng)；控制器

0 引言

與傳統(tǒng)串聯(lián)機器人相比，并聯(lián)機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、運動精度高、速度快等優(yōu)點，已成為目前研究熱點之一。Delta機器人是一種高速、輕載的并聯(lián)機器人，具有承受能力強、運動耦合弱、安裝驅(qū)動簡單等優(yōu)勢，成為工業(yè)界和學術(shù)界關(guān)注的重點[1-2]。在應(yīng)用方面，少自由度Delta并聯(lián)機器人更是在食品、藥品等分揀應(yīng)用上有取代人工的趨勢。

控制系統(tǒng)是機器人運行的關(guān)鍵，相對于串聯(lián)機器人，關(guān)于少自由度并聯(lián)機器人的控制系統(tǒng)研究相對較少[3-4]。并且絕大多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)機器人的控制器是專用的，其控制功能由具體特定的任務(wù)決定，同時，這些控制器相對比較封閉、開放性差、開發(fā)成本較高、周期長[5]。隨著計算機技術(shù)和運動控制器的快速發(fā)展，基于PC+運動控制器/卡的開放式控制系統(tǒng)因具有經(jīng)濟、開發(fā)時間短等優(yōu)點，成為機器人控制系統(tǒng)發(fā)展新的方向。

本設(shè)計根據(jù)研究需求，以上位PC機+下位機器人控制器為核心，構(gòu)建3自由度高速Delta機器人的控制系統(tǒng)，采用Visual Studio 2010 -MFC開發(fā)Delta機器人的上位機界面，由嵌入式運動控制器完成控制任務(wù)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

高速Delta機器人控制系統(tǒng)需要完成以下功能：1) 上位機負責人機交互，接受用戶的指令或指定機器人的運動坐標，讀取機器人的狀態(tài)信息等；2) 下位機（控制器）負責運動規(guī)劃、機器人運算等；3) 運動系統(tǒng)執(zhí)行機器人的運動，同時反饋其運動狀態(tài)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Delta機器人控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，決定系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性；軟件決定系統(tǒng)功能能否實現(xiàn)及性能的好壞。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 3自由度高速Delta機器人

3自由度高速Delta機器人樣機如圖2所示，由動靜平臺、交流伺服電機、3個主動臂，3個平行四邊形的從動臂和末端執(zhí)行器組成。

圖2 Delta機器人樣機圖

交流伺服電機與主動臂的一端固定連接，主動臂的另一端通過萬向節(jié)與從動臂連接，同時，從動臂的另一端通過萬向節(jié)與末端執(zhí)行器連接。在交流伺服電機的運動下，利用主動臂和從動臂使末端器件耦合出3個自由度的運動。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

高速Delta機器人控制系統(tǒng)硬件主要由上位機、機器人控制器、電機及驅(qū)動模塊等組成。

上位機選用基于Windows7操作系統(tǒng)的PC機；機器人控制器選用MLC25控制器，其具有機器人控制功能，經(jīng)濟性好、開發(fā)時間短，符合開放式控制系統(tǒng)要求；驅(qū)動模塊選用基于以太網(wǎng)通信的緊湊型驅(qū)動器IndraDrive CS；電機模塊選用TPM系列電機和減速機一體的TPM010S-035K-6PB1-094C-W4型號電機。

3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)以PC機和控制器為控制核心，進行伺服控制，其硬件結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。上位機PC和控制器通過SERCOSIII進行通訊；控制器與伺服驅(qū)動器通過以太網(wǎng)的閉環(huán)連接通訊；伺服驅(qū)動器一端接三相380 V電壓，另一端通過動力線為電機提供動力，并通過編碼器線讀取電機的信息。

圖3 機器人硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的主程序

高速Delta機器人控制系統(tǒng)的主程序是軟件的主體部分，負責整個控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作，通過調(diào)用不同的子程序完成不同的工作，其流程如圖4所示。

開始主程序后，首先，初始化MLC25控制器，包括各驅(qū)動器和電機參數(shù)的讀取、驅(qū)動器和電機的狀態(tài)檢測、CPU的初始化、CPU的參數(shù)讀取、工作模式選取等；然后，進入待機狀態(tài)，該狀態(tài)下，高速Delta機器人仍在運行，等待來自上位機的指令，接收到上位機指令后，判斷該指令是門形運動指令還是其他指令，若是抓走門形運動指令，MLC25控制器自動上伺服和Grouded，通過坐標子程序?qū)⒌玫降淖鴺诵畔l(fā)送給MLC25控制器，控制器根據(jù)得到的坐標利用動作子程序進行門形運動，若是其他指令程序，則根據(jù)具體指令控制Delta機器人，如上伺服、點運動、狀態(tài)讀取、JOG運動等；最后，得到上位機的退出指令，退出系統(tǒng)。

3.2 控制系統(tǒng)的上位機程序設(shè)計

3自由度高速Delta機器人的人機界面在VS2010軟件的MFC平臺完成，為充分發(fā)揮PC機優(yōu)勢，采用Windows7操作系統(tǒng)。在MFC框架下，將MLPI_SDK添加到工程文件內(nèi)，即可進行相應(yīng)的操作。3自由度高速Delta機器人的人機界面如圖5所示。

如圖5所示，連接控制器后，人機界面就可進行其他操作；狀態(tài)欄顯示機器人的當前位置，并可根據(jù)用戶的需求設(shè)置速度、加速度等運動參數(shù)；根據(jù)門形動作設(shè)置坐標即可開始進行門形操作；具有狀態(tài)指示燈，讓用戶更加清楚控制系統(tǒng)的狀況。

3.3 控制系統(tǒng)的下位機程序設(shè)計

下位機主要負責機器人的動作規(guī)劃和運算，采用Indra Works Engineering編程，編程語言符合IEC61131-3標準的結(jié)構(gòu)式文本語言，工作流程如圖6所示。機器人初始化完成后，等待上位機的指令；接收到指令后，讀取運動參數(shù)和坐標，并將其輸入到運動規(guī)劃中；然后機器人控制器進行逆解運算等；最后等待機器手完成動作。

圖5 3自由度高速Delta機器人的人機界面圖

圖6 下位機工作流程圖

4 試驗驗證

為測試3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)性能，設(shè)置機器人走門形動作，即A-B-A走法，測試循環(huán)為20次。利用Indra Works Engineering軟件的示波器功能，讀取其速度。測試路程為500 mm長，80 mm寬的門型曲線，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，最快往返一次門型動作所需要時間為600 ms，即每分鐘可以完成100次，速度較快。

同時，讓Delta機器人循環(huán)進行500次以上的門形曲線運動測試，機器人依然能完成測試任務(wù)，驗證了Delta機器人的控制系統(tǒng)在高速運行的情況下能保證穩(wěn)定性和可靠性。

表1 試驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文基于PC上位機和機器人控制器下位機的系統(tǒng)控制架構(gòu)，設(shè)計了3自由度高速Delta機器人控制系統(tǒng)。經(jīng)過試驗證明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作簡單。

[1] 馮李航,張為公,龔宗洋,等.Delta系列并聯(lián)機器人研究進展與現(xiàn)狀[J].機器人,2014,36(3):375-384.

[2] 牛雪梅.新型3-DOF驅(qū)動冗余并聯(lián)機構(gòu)動力學建模及其滑?？刂蒲芯縖D].江蘇大學,2014.

[3] 郎需林,靳東,張承瑞,等.基于實時以太網(wǎng)的DELTA并聯(lián)機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機器人,2013,35(5):576-581.

[4] 方建軍.采摘機器人開放式控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2005,36(5):83-86.

[5] 王啟春.六自由度開放式工業(yè)機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[D].華東理工大學,2011.

[6] 文懷興,雷曉麗.采用Trio運動控制器的搬運機器人控制系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代制造工程,2011(4):38-41.

林明勇，男，1989年生，碩士，工程師，主要研究方向：智能控制等。

曹永軍，男，1981年生，碩士，高級工程師，主要研究方向：智能控制與系統(tǒng)、機器視覺等。

周磊，男，1983年生，博士，工程師，主要研究方向：智能控制、機器人等。

Design of 3-DOF High Speed Delta Robot Control System

Li Lili1Lin Mingyong2,3Cao Yongjun2,3Zhou Lei2（1.Shunde Polytechnic 2.Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing Guangdong modern control and optical electrical and Mechanical Technology Public Laboratory 3.South China Robotics Innovation Research Institute）Abstract: The control system of a 3-DOF delta robot prototype is proposed based on PC and Motion controller. Base on Windows operating system, ML25 motion controller and Visual Studio 2010 software are used to develop the control system platform. The system is reliable running and easy operation according to the experiment results.

Delta Parallel Robot; Control System; Motion Controller

李麗麗，女，1981年生，碩士，工程師，主要研究方向：機器視覺與控制等。E-mail: lilili9922@163.com

廣東省科技計劃項目(2015B010917001)；廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項資金項目（2015B090922008）；廣東省粵港共性技術(shù)招標項目（2013B010134009）；佛山市機電專業(yè)群開放課題(2015-KJZX133)。