沈 剛，安昭輝，李 翔，侯冬冬，張丁龍

（中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 222116）

并聯(lián)機器人在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用

沈 剛，安昭輝，李 翔，侯冬冬，張丁龍

（中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 222116）

在控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)及單片機等課程教學(xué)中，充分利用六自由度并聯(lián)機器人平臺進行實驗教學(xué)，可解決機械工程實驗教學(xué)中先進機器人技術(shù)教學(xué)難的問題。結(jié)合控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)及單片機等課程的具體教學(xué)實例，對六自由度并聯(lián)機器人在機械工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用進行了探索與實踐。實驗結(jié)果證明，該方法提高了學(xué)生對控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)及單片機等課程的理解，培養(yǎng)了學(xué)生動手能力，實驗教學(xué)效果良好，為控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)以及單片機等課程的實驗教學(xué)提供了一種新的方法。

實驗教學(xué)；六自由度并聯(lián)機器人；控制工程基礎(chǔ)；機器人技術(shù)；單片機

高校機械工程自動化專業(yè)的控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)以及單片機等課程作為工業(yè)自動化產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)的重要基礎(chǔ)課程，主要講授自動化基本原理及應(yīng)用［1－2］。這些課程實踐性很強，理論知識的實驗驗證環(huán)節(jié)非常重要，但目前國內(nèi)高校在機械工程的實驗教學(xué)中主要還沿襲傳統(tǒng)的教學(xué)方法，理論教學(xué)強于實驗教學(xué)，學(xué)生難以充分應(yīng)用所學(xué)的課程解決實際工程問題［3－4］。

六自由度并聯(lián)機器人具有剛度大、承載能力強、結(jié)構(gòu)比較簡單、精度高、沒有誤差累積和易于控制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于國防和民用先進制造領(lǐng)域［5－6］，如美國研制基于并聯(lián)驅(qū)動的“大狗”平臺［7－8］和基于Delta并聯(lián)機器人的3D打印技術(shù)［9－10］，而先進機器人技術(shù)和3D打印技術(shù)在2013年麥肯錫全球研究所列出的改變世界經(jīng)濟的12項顛覆性技術(shù)中分別排名第5和第9。為提高高校機械工程課程的教學(xué)質(zhì)量，鍛煉學(xué)生對控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)以及單片機等課程學(xué)習(xí)中的實踐應(yīng)用能力，加深對這些基礎(chǔ)課程概念和設(shè)計的理解，開發(fā)基于先進機器人技術(shù)的機械工程實驗教學(xué)非常必要。

1 六自由度并聯(lián)機器人工作原理及組成

六自由度并聯(lián)機器人由機械部分和控制系統(tǒng)組成。機械部分由動平臺、靜平臺、執(zhí)行器及連接部分等構(gòu)成；控制系統(tǒng)的上位機設(shè)定有六維坐標(biāo)參考信號，控制器經(jīng)過反解矩陣運算得出6個執(zhí)行器應(yīng)給定的長度，然后通過執(zhí)行器的驅(qū)動程序控制6個執(zhí)行器的位移，從而使六維坐標(biāo)在動平臺上得到了復(fù)現(xiàn)。圖1為六自由度并聯(lián)機器人基本原理。

圖1 六自由度并聯(lián)機器人基本原理

2 六自由度并聯(lián)機器人系統(tǒng)制作

為了提高學(xué)生的實踐動手能力，六自由度并聯(lián)機器人采用模塊化的機構(gòu)組裝方式，控制系統(tǒng)采用基于STM32F407ZET6的嵌入式控制器，利用LabVIEW編寫了上位機調(diào)試界面，并通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸及命令發(fā)送，最終實現(xiàn)對6個步進電機絲桿滑臺的控制。

搭建的六自由度并聯(lián)機器人所需設(shè)備及材料見表1，外購實物平臺如圖2所示。

表1 設(shè)備及材料

圖2 六自由度并聯(lián)機器人實物圖

3 六自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)

主控制芯片采用了基于Cortex M4內(nèi)核的STM32F407高性能微控制器，其主頻高達168MHz，且集成了單周期DSP指令和浮點運算單元（floating point unit，F(xiàn)PU），能夠滿足六自由度并聯(lián)機器人反解矩陣的運算，并進行實時控制［11］。

3．1 六自由度并聯(lián)機器人反解算法

圖3為六自由度并聯(lián)機器人六維坐標(biāo)α、β、γ、X、Y、Z均為0時靜平臺與動平臺各個鉸接點的初始坐標(biāo)。其中α、β、γ（歐拉角）分別為上平臺與x軸、y軸和z軸的夾角，X、Y、Z分別為沿上平臺中心點的x方向、y方向和z方向的平移長度。給定一個六維參考坐標(biāo)后，代入公式（1），計算得出動平臺（上平臺）各個鉸接點的坐標(biāo)（Xai，Yai，Zai），再根據(jù)公式（2）求靜坐標(biāo)與動坐標(biāo)的直接距離，繼而求得6個軸的長度Li［12］。

其中姿態(tài)旋轉(zhuǎn)矩陣：

圖3 六自由度并聯(lián)機器人坐標(biāo)系定義

3．2 人機交互驅(qū)動程序

六自由度并聯(lián)機器人人機交互采用上位機加下位機的控制方式。上位機為普通計算機，開發(fā)了六自由度并聯(lián)機器人的LabVIEW監(jiān)控程序系統(tǒng)，負(fù)責(zé)接收下位機通過以太網(wǎng)UDP模式發(fā)送過來的當(dāng)前設(shè)定位置、6個缸位移等數(shù)據(jù)，同時可以發(fā)送命令到下位機進行實時控制［13］。下位機為STM32F407主控制器，軟件部分主循環(huán)進行以太網(wǎng)的輪詢處理，而反解矩陣運算、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、步進電機驅(qū)動程序、運動模式判定及執(zhí)行均通過中斷程序進行處理。

程序的總流程圖如圖4所示。首先對各個IO端口、以太網(wǎng)、定時器等進行初始化，然后進入主循環(huán)的以太網(wǎng)輪詢處理程序，下位機和上位機開始通過以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。當(dāng)上位機發(fā)出運動模式命令時，1 ms中斷的定時器1自動計算運動模式的六維坐標(biāo)并進行設(shè)定。同時1ms中斷的定時器2實時反解出6個缸的長度，定時器3通過發(fā)送脈沖和方向信號對步進電機絲桿滑臺實現(xiàn)穩(wěn)定的位置控制，最終實現(xiàn)運動模式的復(fù)現(xiàn)。

圖4 六自由度并聯(lián)機器人控制系統(tǒng)流程圖

3．3 步進電機驅(qū)動程序

步進電機驅(qū)動器依靠一個脈沖信號和一個方向信號進行控制，步進電機驅(qū)動程序通過定時器中斷調(diào)用。當(dāng)定時器產(chǎn)生中斷時，將給定的位置與當(dāng)前位置進行比較，通過偏差的正負(fù)確定電機的正反方向，同時每發(fā)出一個脈沖，當(dāng)前位置根據(jù)方向自加1或自減1。程序流程如圖5所示。

圖5 步進電機驅(qū)動程序流程圖

4 六自由度搖擺臺運行測試

圖6是六自由度并聯(lián)機器人在x－y平面繞原點作半徑為10mm的圓周運動和搖擺運動的實驗結(jié)果，由下位機實時反饋到上位機LabVIEW界面的6個缸的長度。從實驗結(jié)果可以看出：利用步進電機驅(qū)動和嵌入式控制器可以實現(xiàn)六自由度并聯(lián)機器人較高的跟蹤精度，驗證了控制工程基礎(chǔ)、機器人技術(shù)及單片機等課程在實踐中的應(yīng)用。

圖6 六自由度并聯(lián)機器人實驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文所述基于步進電機驅(qū)動和嵌入式控制器的微型六自由度并聯(lián)機器人的制作過程表明：該微型機器人費用較低、技術(shù)較先進，適合于本科學(xué)生自主制作。通過該實驗項目，可以提高學(xué)生實際動手能力和分析問題的能力，同時將控制工程、機器人技術(shù)以及單片機等課程理論學(xué)習(xí)與實踐緊密結(jié)合，為實驗教學(xué)提供了一種新的教學(xué)方法。

（References）

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［10］黃海忠．DELTA并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與運動控制研究［D］．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013．

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［12］孔憲文，黃真．3－RPS控制位置用并聯(lián)機器人機構(gòu)的位置反解［J］．機械科學(xué)與技術(shù)，1999（3）：84－86．

［13］王力．基于LabVIEW的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計［D］．南京：南京理工大學(xué)，2013．

·寫作小常識·

論文中的斜體

論文中，下列場合的字母用斜體；

1．除pH外的物理量的符號（不論在文字中、還是圖中、還是在表中或作為腳標(biāo)）；

2．腳標(biāo)字母表示變動數(shù)時，或腳標(biāo)字母表示坐標(biāo)軸時；

3．表示變量的字母，如：x、y；

4．一般函數(shù)符號，如f（x）；

5．表示幾何中點、線、面、體、弧的字母；

6．表示坐標(biāo)的字母，如：球坐標(biāo)r、θ；

7．矢量、張量和矩陣的符號用黑斜體；

8．化學(xué)中表示旋光性、分子構(gòu)型、構(gòu)象、取代基位置等的符號。

《實驗技術(shù)與管理》編輯部 編錄

Application of parallel robot in experimental teaching of mechanical engineering

Shen Gang，An Zhaohui，Li Xiang，Hou Dongdong，Zhang Dinglong
（Mechanical and Electrical Engineering Institute，China University of Mining and Technology，Xuzhou 222116，China）

In the teaching process of Control Engineering，Robotics and SCM courses，the method of experimental teaching by making full use of six degrees of freedom parallel robot platform can solve the difficult problem effectively，which discusses the application of advanced robot technology in the experimental teaching of mechanical engineering．Based on the specific combination of teaching examples of Control Engineering，Robotics and SCM courses，some researches on the application of six degrees of freedom parallel robot in the foundation of the experimental teaching in Mechanical Engineering are made．Mass data coming out of the explorations and practices show that this method can remarkably improve the students’understanding of the basic theory of Control Engineering，Robotics and SCM courses，also training students ability to inspire a passion for learning basis theoretical effectively．A new approach has been found for the experimental teaching of Control Engineering，Robotics and SCM courses．

experimental teaching；six degrees of freedom parallel robot；control engineering foundation；robotics；SCM

TP242

A

1002－4956（2015）3－0179－04

2014－08－21 修改日期：2014－10－22

沈剛（1982—），男，安徽阜陽，工學(xué)博士，副教授，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域為電液伺服控制系統(tǒng)、并聯(lián)機器人及工業(yè)機器人、協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)

安昭輝（1992—），男，河南周口，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式控制、并聯(lián)機器人和電液伺服控制系統(tǒng)．

E－mail：zhaohui4849＠126．com