系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用說明書

1、目錄目錄1前 言2第一章 注意事項31.1 開箱注意事項31.2 使用時注意事項3第二章 系統(tǒng)構(gòu)成42.1 機(jī)械部分42.2 控制系統(tǒng)42.3 控制電氣原理5第三章 系統(tǒng)安裝63.1 安裝運(yùn)動控制卡63.2 連線63.3 安裝軟件73.4 GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用73.5 注意事項7第四章 GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)84.1 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)84.2 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動學(xué)84.3 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動學(xué)94.4 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的確定10第五章 GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)劃與控制11附錄A：軟件使用說明13A.1 界面13A.2 使用13附錄B：電氣原理圖1

2、5前 言兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)GPM系列是一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)原理和執(zhí)行器冗余技術(shù)的新一代教學(xué)和研究裝置。用于自動控制和機(jī)電一體化等專業(yè)的機(jī)器人課程教學(xué)，輔助完成從機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、運(yùn)動規(guī)劃到編程等各類專業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)大綱的教學(xué)任務(wù)，通過親自動手操作和軟件編程，幫助學(xué)生理解和掌握機(jī)器人的基本原理和應(yīng)用方法。同時可作為一個非線性系統(tǒng)，用于開發(fā)和驗證各種非線性控制算法，輔助進(jìn)行自動控制理論的各種實驗。在安裝、使用和維護(hù)之前，請仔細(xì)閱讀本使用手冊。請將本手冊備在身邊，以備需要時隨時查閱。不正確的操作將會導(dǎo)致重大人身事故警告標(biāo)志不正確的操作會導(dǎo)致設(shè)備損壞被禁止的操作必須要做的操作第一章 注意事項1

3、.1 開箱注意事項l 開箱之后，先檢查GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其配套件有無短缺、損壞。l GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)清單如下：附件數(shù)量GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)主體（含伺服電機(jī)）1并聯(lián)機(jī)構(gòu)臂1（副）控制箱1GT400-SV運(yùn)動控制卡162芯屏蔽電纜2電源電纜115PIN電纜(DB)225PIN電纜(DB)14芯電纜(航空插頭)3DB9PIN電纜1光盤1內(nèi)容GT-400-SV運(yùn)動控制卡用戶使用手冊GT-400-SV運(yùn)動控制卡DOS環(huán)境下庫函數(shù)，應(yīng)用實例和測試軟件GT-400-SV運(yùn)動控制卡Windows動態(tài)鏈接庫，應(yīng)用實例和測試軟件GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)用戶使用手冊及演示程序1.2 使用時注意事項l GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)

4、要擺放在有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)度的桌面或地面上；l 不要在高溫和潮濕的環(huán)境中使用該設(shè)備；l 在使用時，要注意使并聯(lián)機(jī)構(gòu)有足夠的運(yùn)動區(qū)間，不得使其與其它物體干涉。第二章 系統(tǒng)構(gòu)成固高科技（深圳）有限公司開發(fā)的GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組成如下圖1.1所示，它包含電控箱、并聯(lián)機(jī)構(gòu)本體及由運(yùn)動控制卡和相關(guān)軟件組成的運(yùn)動控制平臺等三大部分。其中普通PC機(jī)由客戶自己提供，也可由本公司選配。2.1 機(jī)械部分GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)械部分主要包括： 機(jī)械平臺（530×600×70）(mm×mm×mm)并聯(lián)機(jī)構(gòu)臂（244×244）×3 控制平臺電控箱鋰電池電機(jī)及減速

5、機(jī) 并聯(lián)機(jī)構(gòu)本體圖1.1 GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)2.2 控制系統(tǒng)GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要由普通PC機(jī)、電控箱、固高運(yùn)動控制卡、伺服電機(jī)及相關(guān)軟件組成。伺服電機(jī)及編碼器采用松下MSMA042C交流伺服電機(jī)(帶17位絕對型編碼器)；絕對編碼器電源（位于面板底下3節(jié)3.6V鋰電池）。電控箱包含松下MSDA043D交流伺服驅(qū)動器，24V直流電源，斷路器，接觸器，按鈕開關(guān)等。工作機(jī)理：PC機(jī)通過主機(jī)通訊接口向運(yùn)動控制器發(fā)出運(yùn)動控制指令，并通過該接口獲取運(yùn)動控制器的當(dāng)前狀態(tài)和相關(guān)控制參數(shù)。運(yùn)動控制器完成實時軌跡規(guī)劃、輸出控制、主機(jī)命令處理和控制器I/O管理。運(yùn)動控制器通過三路輸出接口控制電機(jī)實現(xiàn)主機(jī)

6、要求的運(yùn)動。從而實現(xiàn)三個軸的各種運(yùn)動。原理框圖如下：絕對位置伺服電機(jī)伺服驅(qū)動器運(yùn)動控制器PC機(jī)增量信號光電編碼器絕對型編碼器反饋信號通過伺服驅(qū)動器變換成絕對信號及增量信號，絕對信號通過RS-232串口送至主PC機(jī)，使PC機(jī)讀取絕對位置，增量信號送至運(yùn)動控制卡讀取增量位置。筆架部分可以根據(jù)需要換成電磁鐵，該部分由氣缸來驅(qū)動。氣缸和電磁鐵的動作由GT400-SV-PCI的IO來控制。2.3 控制電氣原理控制電氣原理原理見附錄。第三章 系統(tǒng)安裝將運(yùn)動控制卡從防靜電袋中取出之前，請將手與有效接地的導(dǎo)體接觸一會兒，以去除靜電。不要用手接觸卡上的芯片，以免損壞運(yùn)動控制卡3.1 安裝運(yùn)動控制卡檢查運(yùn)動控制卡

7、的外觀有無損壞；關(guān)閉計算機(jī)電源，打開機(jī)箱；將運(yùn)動控制卡插入PCI槽中；用螺釘鎖緊運(yùn)動控制卡和轉(zhuǎn)接頭；將轉(zhuǎn)接頭和卡上的CN2插座用轉(zhuǎn)接電纜連上；合上機(jī)箱。3.2 連線進(jìn)行連接前，請先確認(rèn)斷路器，主電源開關(guān)處于斷開狀態(tài)；CN1CN23#信號2#信號1#信號15PIN4PIN1#電源總電源斷路器9PIN3PIN25PIN絕對編碼器將運(yùn)動控制卡的CN1插口和電控箱的CN1插口用屏蔽電纜連結(jié)起來；將轉(zhuǎn)接頭(CN2)的插口和電控箱的CN2插口用屏蔽電纜連結(jié)起來；將電控箱的25/15針插口(伺服電機(jī)信號插座)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相應(yīng)插頭（1#信號、2#信號、3#信號分別對應(yīng)）相連接；電控箱后面板示意圖將伺服電機(jī)電源

8、線插頭（4芯）與電控箱相應(yīng)的4針?biāo)欧姍C(jī)電源插座（1#電源、2#電源、3#電源分別對應(yīng)） 相連接。將絕對編碼器信號線插頭（9芯）與電控箱的絕對編碼器信號（4針）插座連接。另一端接入計算機(jī)的串口一（COM1）。將電源線一端插入電控箱總電源插座，另一端接入220V AC電源。電源電纜均用于強(qiáng)電，如有破損可能導(dǎo)致人身事故特別說明：必須確認(rèn)相應(yīng)電纜連接無誤后，方可通電。3.3 安裝軟件GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)附帶光盤含如下軟件：GT-400-SV-ISA(PCI)運(yùn)動控制卡用戶使用手冊。GT-400-SV-ISA(PCI)運(yùn)動控制卡DOS環(huán)境下庫函數(shù)，應(yīng)用實例和測試軟件。GT-400-SV-ISA(PC

9、I)運(yùn)動控制卡Windows動態(tài)鏈接庫，應(yīng)用實例和測試軟件。GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)用戶使用手冊及演示程序（含源代碼）。使用之前請閱讀README.DOC。1Windows環(huán)境下驅(qū)動程序、測試軟件的安裝及動態(tài)鏈接庫的使用，請參閱GT-400-SV運(yùn)動控制卡用戶使用手冊附錄A。2Windows環(huán)境下的應(yīng)用實例，請復(fù)制到硬盤相應(yīng)位置，使用相關(guān)軟件（如：VC，VB，DP等）打開。3對于DOS環(huán)境下的測試軟件，直接復(fù)制到相應(yīng)的目錄下即可運(yùn)行，該軟件可運(yùn)行在Windows環(huán)境下，但我們推薦在DOS實模式下運(yùn)行。4對于DOS環(huán)境下的應(yīng)用實例，可將實例和庫函數(shù)直接復(fù)制到相應(yīng)的目錄下，然后使用打開相應(yīng)軟件（如BC3

10、.1），建立工程，將實例和庫函數(shù)添加到工程中進(jìn)行編譯。（請注意編譯模式和庫函數(shù)要相對應(yīng)）5并聯(lián)機(jī)構(gòu)的演示程序為Windows環(huán)境，運(yùn)行DemoSetupsetup.exe即可。3.4 GPM系列并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用1 首先確認(rèn)系統(tǒng)連線正確；2 打開PC機(jī)；3 閉合控制箱背面的斷路器；4 按下面板上的綠色“啟動按鈕”打開控制電路，此時控制電源指示燈(GREEN)點(diǎn)亮；5 按下面板上的紅色“停止按鈕”，此時控制電源指示燈滅，控制電路不能工作。3.5 注意事項1.在進(jìn)行系統(tǒng)連線、拆卸與安裝前，必須關(guān)閉系統(tǒng)所有電源。2. 使用前請仔細(xì)檢查連線。使用運(yùn)動控制卡測試程序或者在調(diào)試程序中，必須卸下并聯(lián)機(jī)構(gòu)臂，否則很

11、有可能引起并聯(lián)機(jī)構(gòu)臂因受力斷裂，電機(jī)損壞，甚至人身意外的危險。第四章 GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)本章簡述的并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)，只研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各連桿間的位移關(guān)系以及軟件實現(xiàn)的方法。為了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各連桿間的位移關(guān)系，建立如下坐標(biāo)系：4.1 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)Y3A3B1l11l31l121l32B3A1C（X，Y）l222B2Xl21A2O如上圖建立坐標(biāo)系后，GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)為：連桿長度相等：l11=l12=l21=l22=l31=l32=l1=244mm；電機(jī)位置A1（xa1,ya1），A2(xa2,ya2)，A3(xa3,ya3)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：A1（0，250），A2（

12、433，0），A3（433，500）連桿關(guān)節(jié)：B1(xb1,yb1),B2(xb2,yb2),B3(xb3,yb3)4.2 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動學(xué)對于正向運(yùn)動學(xué)，就是已知電機(jī)轉(zhuǎn)角位置1，2，3；求并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿末端位置C(X,Y)坐標(biāo)。 從以上坐標(biāo)系中的幾何關(guān)系可得：xb1=xa1+l1×cos(1); yb1=ya1+l1×sin(1); xb2=xa2+l1×cos(2); yb2=ya2+l1×sin(2); xb3=xa3+l1×cos(3); yb3=ya3+l1×sin(3); A=xb1×xb1+yb1

13、×yb1; B=xb2×xb2+yb2×yb2; C=xb3×xb3+yb3×yb3; 因為連桿等長，B1,B2,B3與C點(diǎn)的距離相等，連立方程并求解，可得C點(diǎn)坐標(biāo)：X=(A×(yb2-yb3)+B×(yb3-yb1)+C×(yb1-yb2)/(2×(xb1×(yb2-yb3)+xb2×(yb3-yb1)+xb3×(yb1-yb2);Y=(A×(xb3-xb2)+B×(xb1-xb3)+C×(xb2-xb1)/(2×(xb1×

14、(yb2-yb3)+xb2×(yb3-yb1)+xb3×(yb1-yb2);在軟件設(shè)計中，F(xiàn)rowardKinematicsch()為正向運(yùn)動學(xué)的求解函數(shù)；Public Sub ForwardKinematicsch(angle1 As Double, angle2 As Double, angle3 As Double)4.3 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動學(xué)對于反向運(yùn)動學(xué)的求解，就是已知并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿末端位置C(X,Y)；求電機(jī)的角度位置1，2，3。從以上坐標(biāo)系中的幾何關(guān)系可得：a1c為直線A1C的長度；a2c為直線A2C的長度；a3c為直線A3C的長度；1為直線A1C與

15、X軸的夾角，2為直線A2C與X軸的夾角，3為直線A3C與X軸的夾角。1=arctg(y-ya1)/(x-xa1); 2=+arctg(y-ya2)/(x-xa2);3=+arctg(y-ya3)/(x-xa3); a1c =a2c=;a3c=;1=arccos(a1c/(2×l1)+ 1;2=arccos(a2c/(2×l1)+ 2;3=arccos(a3c/(2×l1)+ 3; 換算成角度：1=1×180/;2=2×180/;3=3×180/;在軟件設(shè)計中，InverseKinematics()為反向運(yùn)動學(xué)的求解函數(shù)；Public

16、Function InverseKinematics(x As Double, y As Double) As Integer4.4 GPM-200并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的確定工作空間的確定是并聯(lián)機(jī)構(gòu)反向運(yùn)動學(xué)中的一個關(guān)鍵問題，要確保并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿末端規(guī)劃點(diǎn)在有效工作范圍，就必須先確定工作空間（即反解存在的區(qū)域）。如圖：g3W1是g2和g3的一個交點(diǎn)； W2是g1和g3的一個交點(diǎn)； W3是g1和g2的一個交點(diǎn) w1w2 在 g3上W3w2w3 在g1上w3w1 在 g2上W1w1w2 、w2w3、w3w1 包括的范圍即為W2g1有效工作范圍 g2g1：g2：g3：在軟件設(shè)計中，PointIsInWor

17、kspace() 為判斷連桿末端是否在工作空間的函數(shù)；Public Function PointIsInWorkspace(x As Double, y As Double) As Integer第五章 GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)劃與控制并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動的規(guī)劃和控制是確保并聯(lián)機(jī)構(gòu)三個軸能夠協(xié)調(diào)工作，使得并聯(lián)機(jī)構(gòu)的末端按照所規(guī)劃的軌跡運(yùn)動。進(jìn)行單軸規(guī)劃，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)劃分解成單軸的運(yùn)動規(guī)劃，單軸規(guī)劃如下：先由正向運(yùn)動學(xué)計算出當(dāng)前點(diǎn)的坐標(biāo)（xc，yc），加上給定目標(biāo)位置（xg,yg），運(yùn)動時間t；則：根據(jù)采樣時間將t進(jìn)行細(xì)化，將各軌跡點(diǎn)的位置值計算出來，再由反向運(yùn)動學(xué)計算出各軌跡點(diǎn)對應(yīng)的3根軸的轉(zhuǎn)角，并轉(zhuǎn)換成

18、脈沖數(shù)，同時根據(jù)3根軸的轉(zhuǎn)角脈沖數(shù)計算各軸相應(yīng)的速度。通過固高運(yùn)動控制器的坐標(biāo)系命令GT_SetVel(),GT_SetPos()發(fā)送速度、位置命令，控制3根軸協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)軌跡運(yùn)動。在軟件設(shè)計中：linedemo()為直線運(yùn)動控制函數(shù)：機(jī)構(gòu)末端從當(dāng)前點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)作直線運(yùn)動。Public Sub linedemo(xg#, yg#, t#)函數(shù)中（xg,yg）為目標(biāo)位置坐標(biāo)，t為規(guī)劃運(yùn)動時間（假設(shè)）。circledemo()為圓周運(yùn)動控制函數(shù)：機(jī)構(gòu)末端以當(dāng)前點(diǎn)為起點(diǎn)，以給定點(diǎn)為圓心，按給定方向作圓周運(yùn)動。Public Sub circledemo(xcen#, ycen#, direct A

19、s Integer, t#)函數(shù)中（xcen,ycen）為圓心坐標(biāo)，direct為圓周運(yùn)動方向，t為規(guī)劃運(yùn)動時間（假設(shè)）。GT_ExtOp() 對控制板卡的IO端口操作。該函數(shù)采用位操作： Bit 0為氣缸控制。置“0”，為打開Z軸電磁閥，氣缸向下運(yùn)動。 置“1”，為關(guān)閉Z軸電磁閥，氣缸向上運(yùn)動。（相關(guān)命令請參照板卡用戶手冊。）例如：GT_ExOpt (&HFFFE) 氣缸下落，下筆Sleep (300)Call linedemo(250#, 280#, 3000#, 5#) '走直線Sleep (200)GT_ExOpt (&HFFFF) 氣缸抬起，抬筆第六章 維護(hù)及

20、常見故障對策定期檢查GPM并聯(lián)機(jī)構(gòu)各部件之間的連接，連線及絕對編碼器電源（鋰電池）的狀況。常見故障對策故障現(xiàn)象故障原因?qū)?yīng)措施電機(jī)不動接線松動或脫落連好連線運(yùn)動控制卡不正常重裝運(yùn)動控制卡或換卡絕對編碼器電源不足更換鋰電池異常噪音諧波減速器等機(jī)械連接故障電機(jī)參數(shù)不佳排除機(jī)械故障重新調(diào)整電機(jī)參數(shù)特別說明：1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)超限不停，是控制軟件出錯，應(yīng)立即按電控箱的急停按鈕，并檢查控制軟件。2、更換鋰電池時，因絕對編碼器掉電，會使電機(jī)驅(qū)動器報警。必須用通過驅(qū)動器將絕對編碼器清零才能消除報警（具體操作見電機(jī)驅(qū)動器使用說明書）。因此要盡保持絕對編碼器電源。3、電機(jī)參數(shù)調(diào)整需要對電機(jī)驅(qū)動器有較清楚的了解，因此一

21、般情況不會調(diào)整電機(jī)參數(shù)調(diào)整附錄A：軟件使用說明A.1 界面機(jī)構(gòu)當(dāng)前位置坐標(biāo)機(jī)構(gòu)初始位置示意命令按鈕運(yùn)動狀態(tài)提示區(qū) 運(yùn)動按鈕演示軟件界面如上圖；屏幕左邊為命令按鈕，中間為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)狀態(tài)提示欄，右邊為機(jī)構(gòu)初始位置示意圖，下邊是運(yùn)動命令按鈕。運(yùn)動命令按鈕上部為運(yùn)動超限提示區(qū)。 A.2 使用標(biāo)定：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“Calibration”按鈕后，在命令狀態(tài)欄會提示："Please Turn The Parallel Mechanism to The Home Position Manually， Then Click TheOKButton”；用手將并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿末端移到零點(diǎn)位置，然后按“ OK”將當(dāng)前點(diǎn)定為零點(diǎn)，并記下絕對編碼器讀數(shù)；在運(yùn)動之前請確認(rèn)將并聯(lián)機(jī)構(gòu)連桿末端移到零點(diǎn)位置運(yùn)動按鈕：按“Motion” 按鈕，下方的運(yùn)動