1、引言 Delta并联机器人在1985年诞生在瑞士的洛桑联邦理工学院，是由R.clavel提出的，因其基座平台和运动平台都呈现三角形形状而得名。当时工业生产中迫切需要一种机器人，这种机器人是一种小型化的机构，用于实现对轻小物件的快速抓取和放置，每秒能完成两次以上的循环操作，Delta机器人应运而生[1]。直到在1999年，ABB 开始推广自己的delta机器人，FlexPicker。近些年，日本Fanuc公司亦在推广其Delta高速并联机器人，M-3iA。本文基于实验室独立研发且已初步完成的Delta机器人整体架构和功能，主要从控制的角度探讨Delta机器人硬件驱动控制系统的搭建，视觉识别系统的设计和软件控制系统的方案。此方案经过实体搭建和控制运行实验证明Delta机器人并联机构刚性好，行动快速和定位精度高等特点，对于工业现场并联高速搬运机器人的研发具有一定的参考价值。 2、背景介绍 工业机器人是一种程序可编程，并且具有独立控制系统，抓放和操纵工具的自动化机械装置，是典型的机电一体化高科技产品。一般来讲，根据结构形式不同机器人可分为串联机器人和并联机器人两大类。串联机器人是目前最常见的工业机器人，一般的串联机器人往往有一个拟人化的机械手臂结构，即刚性连接的串行链，由
接头（如旋转）连接，形成一个肩、肘或手腕。该类型机器人的优势是作用空间较大，其缺点是一个开放的运动结构所固有的低刚度，携带和移动的执行器的重量过大，他们可以操纵的有效载荷相对较低，链接的错误的积累和放大等。 并联机器人是一类全新的机器人，它具有刚度大、承载能力强、精度高、可柔性适应多种流水线作业等优点。在工业上并联机器人可以作为精密操作的微动器或大件的装配机器人等。经过了几十年的研究，虽然并联机器人在理论上已经比较成熟，但是大部分机器人还是在大学的实验室，走进工业生产现场的并联机器人还比较少。随着我国先进制造技术的发展，工业机器人已从当初的柔性上下料装置，正在成为高效率、高度柔性和可重组装配、制造和加工的优质选择。 3. Delta机器人硬件和软件系统设计 完整Delta机器人的系统主要包括硬件机构设计，驱动控制系统，视觉图识别系统和软件控制系统组成，具体分为如下几类： 3.1 Delta机器人总体结构设计，硬件驱动控制系统搭建 Delta高速并联搬运机器人如图1所示，具有4个自由度，主要由静平台、动平台、3根主动杆、3组平行四边形从动支链和动平台末端旋转执行器组成（目前暂未装上）。从图1中可以看出，静平台的3组驱动单元通过3条相同的运动链分别与运动平台的3条边铰接。每条运动链中有1个由4个虎克铰与杆件组成的平行四边形闭环，此闭环再与1个带转动关节的驱动臂相串联，驱动臂的一端固定在静平台上，在电动机的驱动下做一定角度的摆动，经过机械传动控制动平台的远动[3]。这3条运动链决定了运动平台的运动特性，运动平台不能绕任何轴线旋转，但可以在直角坐标空间沿X、Y、Z三个方向平移运动，到达机械结构运动空间范围内任意坐标点，末端旋转执行器安装于动平台下，执行器可实现360度旋转。所以，该结构Delta并联机器人具有4个自由度。
图1 Delta机器人硬件结构设计 硬件驱动控制系统是由PC机连接基于PCI总线的数字式伺服电机运动控制卡，再通过运动控制卡连接三个交流伺服马达的驱动器，运动控制卡将控制指令转换为相应的脉冲信号，然后由驱动器输出信号控制三个主动杆马达；每个伺服马达后面都装有增量式旋转
编码器，实时测出三个马达的转动位置，传回控制系统，形成闭环。相比于部分串联机器人的开环控制系统，该闭环控制系统通过旋转编码器测出马达转动角度，通过PID参数调节，可以更准确控制各轴的转动角度，实现精确定位。 3.2 Delta视觉识别系统设计 视觉识别系统使用非接触式光学传感器自动获取和解释某真实场景的图像，以达到获取信息和控制机器及生产流程的目的。系统首先抓取一幅质量较好的图像，提取物体的特征，然后在具体应用所采集的图像中，搜
索具有相似特征的区域，进行图像配比，以一个相似度的阈值来判定物体是否存在。过程中使用如图像分割(阈值分割，边缘分割)和特征提取(灰度特征，区域特征，轮廓特征)等技术[2]。 其具体执行过程为，当物品进入摄像机视野时，由触发信号驱动摄像机动作，摄取当前流水线的快照并送入上位机。根据当前的分拣策略，上位机在摄像机拍摄的快照中捕捉感兴趣物体的特征，如果找到具有对应特征的物体，则根据相应的算法对图像进行解码，确定出物体的空间位置坐标，然后将该物体的位置坐标信息送入Delta系统的控制器，控制器根据接收的目的坐标地址，形成位置指令代码，传送到系统内部的速度规划模组，模组根据控制要求进行直线或非线性快速运动的路径规划，然后将规划的路径按中断时间来确定每个周期的U、V、W三个马达的转动量，各转动量送给相应的马达驱动器，驱动控制马达转动，马达转动轴端经过机构传动，可以成功控制运动平台的末端到达指定位置后抓取物体。至此，一个完整的控制流程结束。 3.3 Delta软件控制程序设计 软件控制系统的特色是模组化设计，各个模组功能界定清晰，最大程度提高了系统在功能上的移植性和可扩展性。主要模组包括，FORM、MMI(Man Manchine Interface)、SYS(System)、DEC(Decoder)、INTP(Interpolator)、PCL(Position Co
ntrol Loop)等。MMI模组对应FORM中的每个元件DATA；SYS模组为控制系统的大脑，根据MMI模组传送的状态，做出对应的指令给DEC、INTP和PCL；DEC模组为解译器，将NC Coder的指令做分析，转换成INTP理解的指令；INTP模组为插补器，根据系统要求的位移方式，计算出每个Interupt的时间须送出的位置点；PCL模组为位置控制回路，根据INTP送来的位置配合马达的反馈值，做位置控制。其程序控制流程如图2所示：
图2 程序控制流程 INTP模组是软件控制系统的核心模组，根据系统要求的位移方式，进行路径规划，可以进行线性路径或非线性圆弧等路径规划，INTP计算出每个Interupt的时间须送出的位置点，然后将该值写入FIFO堆栈，PCL通过响应轴卡中的定时器中断来读取FIFO中的位置指令值，具体路径规划流程如图3所示：
图3 INTP模组中路径规划流程图 4、Delta机器人应用领域 在国外Delta机器人已经成功的应用在大范围的领域中，而且取得了不错的业绩。例如，在瑞士，巧克力生产商Chocolat Frey，通过采用每天可以应对40种不同包装规格的全新高速Delta机器人
包装生产线而获得巨大利益。由于Delta机器人减少了Chocolat Frey公司的工作量，最主要的是整个操作系统简便易行，只需简单的修改一下操作系统就可以适应新的包装规格，这种简易性使得该公司可以快速而从容的应对市场的新需求。 当初，当在运动平台上装上适当的末端执行器后，特别适用于电子元器件的快速装配插接。但在轻工业的包装，Pick-and-Place操作，医学手术等领域，Delta机器人以其灵活性、快速搬运能力和现场的自适应性获得极大的发展和应用。广泛应用的领域主要有： 1、应用于食品、药品和化妆品等的生产线快速装盒装箱； 2、电子元件和
太阳能电池板等的快速装配。 Delta机器人通常可与视觉系统一起用于高速拾取，从而能确定产品位置，并迅速将其拾取。但目前为止，Delta机器人只能拾取物体、使其发生旋转后到达预定位置放下，然后旋转回归原位。如图4所示：
图4 Delta Robot高速抓取物体 另一个用途是用于对各种瓶子进行解扰。对洗发水或清洁剂
塑料瓶进行成型时，往往其倒入一个大料斗。该理念就是要找到一个平放的瓶子，将其拾起，沿侧将其放置在传送带上，然后进入灌装生产线了。 其他用途则涉及到复杂组件，例如某些电子消费品。这时，机器人可能需要配备用于部件的托盘，然后用视觉系统和力传感器在所有角度寻找产品，然后进行组装。 5、结束语 Delta机器人是并联机器人的一个典型代表，在不少领域有潜在的用途，从本文的初步分析可见，Delta机构具有高精度和高刚度，执行器末端具有快速性和灵活性，更重要的是系统具有较强的柔性设计，经简单修改即可适应不同的流水线作业。综上所述，Delta机器人作为机器人行业中的佼佼者，具有很高的研究价值和解决中国实际的现实价值。 作者简介 刘海波（1989-） 男 在读硕士研究生，主要研究方向：嵌入式系统和工业自动化 参考文献 [1] 毕胜．国内工业机器人发展现状[J]，机械工程师，2008,7（5-7）． [2] 刘凤臣，姚赞峰等. 高速搬运机器人产业应用及发展[J].轻工机械2012,4(2). [3] 肖南峰等.工业机器人[M].北京:机械工业出版社,2011. [4] 蔡自兴．机器人学[M]，北京：清华大学出版社，2009． [5] 张利敏，梅江平，赵雪敏等. Delta机械手动力尺度综合[J].机械工程学报，2010，46(3) 我的地址：山东省济南市经十路17923号山东大学 控制学院11级硕士1班 电话：15275199629 邮编：250061 邮箱:liuhaibo8989@163.com
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