基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构研究
吕有界;欧哲铭;谭文才
【摘要】结合Delta机构的优缺点提出了一种新型的基于Delta机构的冗余驱动三维平动并联机构,该机构在成熟的Delta机构上增加X、Y方向两个平动自由度,从而在充分利用Delta机构高速高精度的特点的基础上,扩大机构的工作空间,扩大Delta机构在工业领域的应用范围,包括PCB插件、货物堆垛、3D打印等.通过样机初步试验表明该机构整体运动平稳,机构末端元件运动速度高,但在运动过程中出现了一定程度的振动,这在一定程度上影响机构末端元件运动精度.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2016(045)012
【总页数】3页(P31-32,46)
【关键词】Delta机构;冗余驱动;并联机构
【作者】吕有界;欧哲铭;谭文才
【作者单位】广州航海学院,广东广州 510725;广州航海学院,广东广州 510725;广州航海学院,广东广州 510725
【正文语种】中文
【中图分类】TH112
目前常见的工业机器人机构多为串联机构，由于此种机构是运动开链的，因而有诸如刚度小、承载能力差、误差积累大等缺点。

并联机器人因采用机械闭环的结构，使机器人运动部分的惯量降低、刚度提高，故较之串联机器人而言，具有定位精度
高、承载能力强等优点。

美国Clavel博士发明的Delta并联机构，可实现高速的
三维平动，具有结构简单、运动速度快、定位精度高等优点[1]。

但相对串联机构
来说，Delta并联机构存在工作空间小、结构尺寸偏大等缺点。

国内外学者对Delta机构的研究相对成熟，包括运动学分析[2]、动力学分析[3]、性能评估[4]、
奇异点分析[5]以及其控制[6]等。

目前，Delta并联机器人己经广泛应用于化妆品、食品和药品的包装和电子产品的装配[7]。

为了进一步提高Delta机构的工作空间，扩大其应用范围，本研究拟在水平X、Y方向增加两个平动自由度，形成高速高精度冗余驱动并联机构，进而为为工作空间大，只需平动的高速高精度工业机器人的研究提供基础。

冗余驱动三维平动自由度并联机构[8]主要由直角坐标轴进给装置1、支架2、Delta机构3三大部分组成，如图1所示。

其中直角坐标轴进给装置由第一移动电机4、第二移动电机15、第一联轴器19、第二联轴器16、第一滚珠丝杠螺母副7、第二滚珠丝杠螺母副9、第一前轴承座12、第一后轴承座5、第二前轴承座8、第二后轴承座17、第一固定导轨副18、第二固定导轨副10、第一移动导轨副6、
第二移动导轨副13、导轨固定板11以及支座14组成。

Delta机构参照文献[2]进行设计，支架由标准铝材结构通过螺栓连接而成。

在具体连接方式方面，第一固定导轨副18、第二固定导轨副10通过螺栓与支架2连接；所述第二移动电机15与第二滚珠丝杠螺母副9通过第二联轴器16连接，
并固定在支架2上；所述第一移动导轨副6、第二移动导轨副13通过螺栓与导轨固定板11连接；所述第一移动电机4与第一滚珠丝杠螺母副7通过第一联轴器
19连接，并固定在导轨固定板11的端部。

而整个Delta机构通过连接装置与直
角坐标轴进给装置上的第一滚珠丝杠螺母副7连接，从而实现整个Delta机构在XY方向的整体平动。

冗余驱动三维平动自由度并联机构电气控制系统如图3所示。

直角坐标轴进给装
置采用的是步进电机，使用PLC作为控制单元；而DELTA机构是采用的是伺服电机，通过运动控制卡进行监控。

为了使两种控制单元之间的联系更紧密，便于监控，使用一台工业控制机作为上位机，将PLC和运动控制卡集成到一个软件系统中。

PLC编程口直接与工控机的232接口连接，利用MSCOMM串口通信控件，实现了上位机对PLC的实时监控。

运动控制卡插在工控机主板上的PCI插槽中，通过gts函数库[6]实现对伺服电机的实时监控。

在整个机构轨迹规划采用超椭圆轨迹规划算法与直线规划算法。

通过设计与改进，试制了一台冗余驱动三维平动自由度并联机构样机。

通过参数设置与调试，并充分考虑机器的安全性与性能稳定性。

在直线轨迹模式下85%的速
度运行，末端元件以直线轨迹规划算法方式下按照如图4所示的轨迹循环一次所
需时间为2 153 ms，表明机构运动速度快。

另观察运动过程，机构在运动过程中出现一定振动，这需在以后的研究中进一步改进。