3自由度柔性并联机器人的实验研究

　　根据机器人的结构特点,机器人可分为串联、并联两种形式。最常用的串联机器人具有工作空间大、灵活性好等优点。但是串联机器人有如下缺点:首先,串联机器人的末端运动误差为各关节误差的累计;其次,串联机器人不担大负载。并联机器人的主体结构是多环机构,操作器安装在动平台上动平台通过数条并联的运动支链与机座连接。因此,结构的刚度高于串联机器人,提高了承载能力。同时,由于其末端的运动误差不是所有的关节的误差累积,所以运动精度较高。

　　另外随着机械产品设计高速轻型化的发展趋势,对于具有较高精度要求的并联机器人,由于各部件柔性变形带来的机器人动平台运动误差和弹性振动,使其整体运动学和动力学性能受到极大的影响,直接制约了并联机器人的发展和应用[1]。因此,结合柔性和并联两方而特点,开展柔性并联机器人领域研究具有重要的理论和现实意义。并联机器人全闭环实时控制是保证并联机器人运动精度的必要前提。目前,制约柔性并联机器人全闭环实时控制的主要原因有两个方面:其一,由于刚柔耦合的复杂性,难以建立起精确有效的柔性并联机器人控制系统模型;其二,由于柔性系统的时滞性,难以实时检测到柔性并联机器人的运动信息。国内外已经相继开展了上述课题的研究,并在柔性并联机器人的系统建模、求解及仿真等方面取得了一些成果[2-5],但在实时检测、控制系统及实验分析等方面研究很少见到。

　　下面将用两种方法对平面3-RRR柔性并联机器人的运动数据进行采集。第一种中是以线尺传感器为采集单元构建了数据采集系统的硬件结构,实现了机器人动平台运动位姿的测量;利用RTLinux操作系统的实时性和开放性[6],对数据采集系统进行了功能模块化设计。第二种方法是利用三维光学测量仪器OPTOTRAK通过坐标转换测量动平台在水平面上的运动学数据。最后,针对两套柔性系统进行了高速、高加速轨迹实验,并对两种方法实验结果的分析对比,为今后平面3-RRR柔性并联机器人全闭环控制的实现奠定了基础。

　　1　平面3-RRR柔性并联机器人系统

　　图1为平面3-RRR柔性并联机器人实验系统。其整体包括控制系统部分和并联机构部分。控制部分主要包括具有四轴驱动能力的PMAC卡,工业控制电脑以及控制电路。并联机构部分包括动平台、基平台、3根主动臂、3根从动臂以及若干转动副。所有的机械臂均可被替换为柔性杆件。另外系统自带一套基于线尺传感器的运动学数据采集系统,线尺传感器(图2)又称拉线式位移传感器,是一类将被测物体机械位移量转换成线性可输出的模拟/数字信号量的位移传感器。