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1、实验十一 并联机器人运动分析实验REBot-P系列并联机器人是一种基于并联机构原理和执行器冗余技术的新一代教学和研究装置。用于完成从机器人机构学、运动学、动力学、运动规划到编程等各类专业机器人课程教学大纲的教学任务，通过亲自动手操作和软件编程，帮助学生理解和掌握机器人的基本原理和应用方法。同时可作为一个非线性系统，用于开发和验证各种非线性控制算法，辅助进行自动控制理论的各种实验。一、系统构成REBot-P系列并联机器人由并联机构本体、电控箱、运动控制器和控制软件组成。1、机构本体本体主要组成包括：工作台面：工作台面用于安装三个驱动臂及其电机，同时也是机器人的工作空间台面，机器人末端绘图笔将在工
2、作台面上绘制出末端运动轨迹。连杆手臂：并联机器人工作台面上安装有三对联杆手臂，每对联杆手臂由一根主动杆和一根从动杆组成。驱动电机：工作台面的一个等边三角形的三个顶点安装有三套交流伺服电机，驱动连杆手臂运动。电磁铁笔架：能够通过电磁铁动作控制绘图笔抬起和放下的机械装置。2、电控箱 并联机器人电控箱中集成了3套交流伺服驱动器，24V直流电源，断路器，接触器等。 电控箱前面板上有电源指示灯（点亮表明电控箱220V输入电源接通），系统上电指示灯（点亮表明伺服驱动电源已经接通，可以通过控制软件对并联机器人实施控制），紧急停止按钮（按下紧急停止按钮将切断交流伺服电机电源，在异常情况下紧急制动机器人）。3、
3、运动控制器 运动控制器插在控制计算机的PCI卡槽中，完成三套交流伺服电机的协调闭环控制。4、控制软件 控制软件运行于安装有Windwos2000/XP操作系统的计算机上，提供人机交互接口对机器人实施控制。二、并联机器人操作1、运行前准备工作1）检查机器人本体到控制箱间连接电缆正确连接，检查运动控制器已经安装到控制计算机中，检查控制箱到控制计算机间运动控制器电缆和和串口电缆连接正确，检查控制箱前面板上的急停按钮能够正常按下和通过顺时针旋转解除急停状态。2）如果修改了控制程序或者调试自行编制的控制算法程序或者使用运动控制器示例程序操作并联机器人时，务必先拆下并联机器人的3对连杆，避免不协调的运动导
4、致设备损坏。如果设备在运行过程中动作异常，请立即按下控制箱前面板上的紧急停止按钮断开伺服电机电源。3）接通控制柜220V输入电源，此时控制柜前面板上的红色电源指示灯亮表明控制柜中已经有电源输入；4）确认并联机器人工作台面上没有杂物，机器人运动时绘图笔不会产生碰撞，此时可以通过按下电控箱前面板上的中间按钮给机器人控制箱上电，此时可以听到控制箱中断路器吸合声，控制箱前面板上中间上电指示灯点亮，此时并联机器人伺服驱动器已经接通电源，但是伺服电机还需要控制软件命令上电。注意：如果机器人在运动过程中动作异常，请立即按下控制箱前面板上的紧急停止按钮！2、控制程序一般操作a、运行机器人控制程序REPP500
5、.exe，显示如图11-1所式控制程序界面：图11-1并联机构控制程序界面b、点击 系统操作区中的“电机伺服上电”，给并联机器人的三套交流伺服电机上电，伺服上电后电机和驱动器之间处于闭环控制状态，可以接收运动控制器的控制命令。c、点击 系统操作区中的“机器人标定”，弹出提示对话框提示机器人当前位行是否与控制界面上显示图形一致，如果一致则可以继续进行下一步操作。（如果不一致则必须先进行原点标定操作。）d、原点标定完成后可以通过直角坐标运动区中操作测试并联机器人的运动，例如通过选择运动方向为“X方向”，运动距离为“10”mm,点击“合成运动”按钮，则机器人将在X方向运动10mm距离，可以在控制软件
6、的左边图形化显示中直观看到机器人的运动，也可以通过右下角的坐标数据显示看出并联机器人的运动。e、机器人不在动作时，可以通过直角坐标运动 区中的“回到零点”操作使机器人回到标定坐标零点；f、可以通过“抬笔”，“落笔”手动测试绘图笔的抬起和放下；三、数学模型1、并联机器人装配为3对“右手”构型，操作者面对并联机器人平台观察得到，参见图1；2、并联机器人平台由三对连杆组成，每一对连杆（AA和AE、BB和BE、CC和CE）构成一只手臂；3、每一对连杆（“手臂”）中的第一根连杆为驱动连杆（AA、BB、CC），第二根连杆为从动连杆（AE、BE、CE）；4、三套驱动电机安装在驱动连杆的起始端（A、B、C），
7、三套驱动电机分布在一个正三角形顶点上（边长为500mm）；5、三根从动连杆末端连接为一个活动关节点E（称为末端E），末端E上安装有工具（笔架）；6、连杆长度：L =|AA|=|AE|=|BB|=|BE|=|CC|=|CE|=244mm驱动电机间距离：D=|AB|=|BC|=|CA|=500mm7、坐标系建立1）建立如上图11-2所坐标系：取与AB平行且过ABC中心方向为坐标系X轴，AB的中垂线为Y轴（C点在Y轴上，Y轴经过三角形ABC的重心）；2）三根驱动连杆AA、BB、CC与坐标系X轴方向夹角（驱动电机的转角）记为q1 、q2 、q3 ；图11-2 操作者从此视角观察平台3）根据以上坐标系，
8、驱动电机关节A、B、C点的直角坐标位置固定四、实验内容1、 运动学正解实验已知三个驱动电机的角度q1、q2、q3，求解工具末端E在直角坐标系中的坐标（）1）驱动连杆末端A、B、C在直角坐标系中的坐标： 2）根据两点间距离公式和|AE|=|BE|=|CE|=D得到联立方程（没有利用连杆长度信息）：令A、B、C点到坐标系原点的距离的平方记为： 求解方程得到运动学正解：实验步骤：1）、运行并联机器人控制程序REPP500.exe,得到如下控制程序界面：运动学分析求解区：在控制程序的左下角区域为运动学正反解求解区，在这里可以在不控制设备时求解运动学正反解并通过图形仿真界面直观显示结果，验证求解结果的正
9、确性。2）输入q1=-23.7331、q2=96.2669、q3=-216.2669，不要在“反解”前面打勾表示求解的是运动学正解，点击“绘制求解”按钮，得到 末端X坐标为0.0000、末端Y坐标为-0.0000，并且在图形界面上绘制出末端在标定零点的图形。3）实验求解q1=0.0966、q2=91.4091、q3=202.7449时的运动学正解（0,100）。2、运动学反解实验已知工具末端E在直角坐标系中的坐标（），求解三个驱动电机的角度q1 、q2 、q3，。根据三角关系可以推出（角度转化到0，2）：其中 计算得到 当并联机器人工具末端处于直角坐标系中（0，0）时通过运动学方解计算得到此时
10、驱动关节角度：可以看出几个关节角度间相差120度，此时并联机器人三对连杆处于对称分布结构，一般的我们将此时末端所处的位置作为机器人机械零点标定位置。实验步骤：1）运行并联机器人控制程序REPP500.exe；2）在末端X坐标中输入0,在末端Y坐标中输入0，在“反解”前打勾表示求取运动学反解，点击“绘制求解”，则得到标定原点坐标q1=-23.7331、q2=96.2669、q3-216.2669；3）求解末端X=100,Y=100时的反解。3、工作空间的确定工作空间的确定是并联机构反向运动学中的一个关键问题，要确保并联机构连杆末端规划点在有效工作范围，就必须先确定工作空间（即反解存在的区域）。如
11、图：W1是g2和g3的一个交点，W2是g1和g3的一个交点，W3是g1和g2的一个交点。w1w2 在 g3上w2w3 在g1上w3w1 在 g2上w1w2 、w2w3、w3w1 包括的范围即为有效工作范围 g1：g2：g3：实验步骤：1）运行并联机器人控制程序REPP500.exe；2）在末端X坐标中输入0、在末端Y坐标中输入0，在“反解”前打勾表示求取运动学反解，点击“绘制求解”，则得到标定原点坐标q1=-23.7331、q2=96.2669、q3-216.2669，在绘制的仿真图形中我们可以看到三段弧线组成区域就是并联机器人的工作空间。4、轨迹仿真控制实验1）编辑并联机器人运动轨迹通过轨迹
12、操作区中的“编辑轨迹”按钮，弹出轨迹编辑窗口，如图3所示：图3 轨迹编辑窗口 “新建轨迹”：新建一个轨迹文件； “打开文件”：打开以前保存的轨迹文件； “保存文件”：将当前的轨迹文件保存到磁盘； “重新绘制”： 重新绘制编辑窗口中的图形界面； “退出”： 退出轨迹编辑窗口。轨迹的鼠标输入方法：移动鼠标到绘图区，光标变为绘图笔形状，此时可以按下鼠标左键开始在绘图区绘图，松开鼠标左键结束当前绘图笔画，按下鼠标左键开始下一个绘图笔画。2）轨迹的仿真运动和实际控制a、编辑好的绘图轨迹可以通过轨迹操作区中的“载入轨迹”按钮打开一个轨迹文件，通过“仿真运动”模拟运行绘图轨迹文件，仿真试验满意的轨迹可以执行
13、实际控制；b、选择 速度中的“低速”、“中速”、“高速”，点击“实际控制”将在工作台面上（铺上纸张）绘制出并联机器人末端运动轨迹；c、在机器人运动过程中可以通过“紧急停止”按钮停止机器人的动作。d、实验结束后通过“电机下伺服”，“退出程序”结束控制程序的运行，然后可以按下控制箱上的急停按钮切断电控箱电源，再关闭电控箱的220V输入电源。五、原点校准注意：原点校准为系统维护操作，只有系统维护人员或者实验室制定设备管理员能够进行原点校准操作！机器人的原点数据将严重影响后续一切动作，不正确的原点校准将会导致设备运行异常或者损坏！需要进行原点校准的情况：1、系统在执行“机器人标定”操作后，图形界面显示
14、出来的机器人位形与实际设备不符合；2、在重新拆卸和安装了机器人驱动关节连接螺钉后必须先进行“原点校准”；3、自己开发程序时为了安全松开了并联机器人驱动关节螺钉，在开发程序运行正确后可以逐渐紧固螺钉，此时必须先进行“原点校准”；4、更换2自由度冗余驱动连杆机构为3自由度驱动连杆机构后必须先进行“原点校准”；5、系统长时间运行后，为了提高控制精度，也可以一定时期后进行“原点校准”。原点校准步骤：1）需要在系统伺服掉电情况下进行，此时才能用手推动连杆末端到标定原点位置；2）运行控制程序REPP500.exe,点击标题栏最左端程序图标，弹出系统菜单，在系统菜单中添加了一项“原点校准”,点选此项菜单，弹
15、出提示对话框如下图：3）按照对话框提示一步步操作，保存后退出程序，则以后控制程序将使用新的校准数据。4）在控制程序REPP500.exe中使用三套电机的重心点作为标定原点。下课啦，咱们来听个小故事吧:活动目的：教育学生懂得“水”这一宝贵资源对于我们来说是极为珍贵的，每个人都要保护它，做到节约每一滴水，造福子孙万代。活动过程：1.主持人上场，神秘地说：“我让大家猜个谜语，你们愿意吗？”大家回答：“愿意！”主持人口述谜语：“双手抓不起，一刀劈不开，煮饭和洗衣，都要请它来。”主持人问：“谁知道这是什么？”生答：“水！”一生戴上水的头饰上场说：“我就是同学们猜到的水。听大家说，我的用处可大了，是真的吗？”主持人：我宣布：“水”是万物之
