中泰研創并聯六自由度機械手測控系統
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中泰研創
測試背景
在現代制造行業中，先進的制造技術不斷的代替傳統的加工方法和操作方式。現代工業的高技術要求，更促進了機器人的發展：例如，實行無人化的工作車間，自動生產線等。
機械手(臂)是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高科技技術領域內迅速發展起來的一門新興技術。它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有可不斷重復工作、能在條件比較惡劣的環境下工作、載重量大、定位精確等特點。因此，機械手受到了許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。
測試對象
機械手（machine hand），是指能模仿人手和臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
目前機械手根據不同的要求可進行不同的分類：
1.按驅動方式分類
1) 液壓式
液壓驅動機械臂通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統，由驅動機械臂的執行機構進行工作。通常它具有很大的抓舉能力（高達幾百公斤以上），其特點是結構緊湊，動作平穩，耐沖擊，耐振動，防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環境。
2) 氣動式
其驅動系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便，動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。
3) 電動式
電力驅動是目前機械臂使用得最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。驅動電機一般采用步進電機，直流伺服電機以及交流伺服電機（其中交流伺服電機為目前主要的驅動形式）。
2.按用途分類
1) 搬運機械臂
這種機械臂用途很廣，一般只需點位控制。即被搬運零件無嚴格的運動軌跡要求，只要求始點和終點位姿準確。如機床上用的上下料器人，工件堆垛機械臂，注塑機配套用的機械等。
2) 噴涂機械臂
這種機械臂多用于噴漆生產線上，重復位姿精度要求不高。但由于漆霧易燃，一般采用液壓驅動或交流伺服電機驅動。
4) 裝配機械人
這種機械臂要有較高的位姿精度，手腕具有較大的柔性。目前大多用于機電產品的裝配作業。
5) 專門用途的機械臂
如醫用護理機械臂、航天用機械臂、探海用機械臂以及排險作業機械臂等。
3.自由度數量分類
操作機本身的軸數（自由度數）最能反應機械臂的工作能力，也是分類的重要依據。按這一分類要求，機械臂可分為4軸（自由度）、5軸（自由度）、6軸（自由度）等機械臂。
我們大家平時在看到的工業機器人大部分都是串聯機器人。串聯機器人，一個軸的運動會改變另一個軸的坐標原點。通俗的講，它的各個運動關節是是像糖葫蘆一樣，串在一起的，所以叫做串聯機器人。如圖1所示：
圖1
并聯機器人的各個運動關節像板凳或是照相機三腳架的幾個腿一樣，是一種并排的結構（即一個軸運動不影響另一個軸的坐標原點），所以叫做并聯機器人。并聯機構可以定義為動平臺和定平臺通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯方式驅動的一種閉環機構。如圖2和圖3所示：
圖2
圖3
并聯機器人具有速度高、剛性強、精度高、結構緊湊、自身負荷小、可靠性高、使用壽命長、節能環保等優點。在人力成本日益增加的時代，廣泛應用于食品，制藥，包裝以及電子行等各個生產環節，例如餅干的抓取與碼放，酸奶的抓取與包裝，點心的抓取與分揀，輸液袋的抓取與碼放，電腦鍵盤裝配等等。
l 系統描述
并聯六自由度機械手測控系統是北京中泰研創科技有限公司和北京某大學機器人科研實驗室合作提供的技術解決方案，硬件方面通過EM9000系列多功能數據采集設備(EM9636BD)負責完成機械手6個自由度（X移動、Y移動、Z移動、X轉動、Y轉動、Z轉動）的數據采集與驅動力控制。
現場被測機械手以液壓為驅動方式，液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制調節裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。機械手在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。機械手做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。
如圖4、圖5所示,此為現場做測試的并聯六自由度運動平臺：
圖4(并聯六自由度運動平臺)
圖5(油缸油液壓力傳感器)
l 系統特點
并聯六自由度機械手測控系統采用了當今先進的、模塊化、標準化測試技術和產品。硬件應用以太網總線平臺產品，集成了系統控制與數據采集功能，方便今后的維護與擴展；工業現場成熟的PLC系統，采用流行測試軟件開發。由于有了優良的軟、硬件組合，該系統具有可靠性高、性能價格比高、實用性強、操作簡單、維護方便等特點。
?采用質量優秀的進口液壓傳動系統（油泵、液動機、控制調節裝置），保證了各個工位的機械手運動位置的穩定和準確。
?支持自定義編輯各油缸（單拍）行程參數（添加、刪除、修改、保存、調用），并形成程序段。能夠實現單拍或連續的軌跡控制，實現了測試的全自動化，提高效率。
?采用6路模擬量輸出信號(DA)和1路同步控制信號(DO)控制6個缸的油液壓力,進而控制各個自由度的運行。實現命令的同步下發，確保了各方向運動的同時動作。
?采用高速AD在每運行完一個節拍動作后采集傳感器信號,并與設置數據進行比較，自動執行誤差判定與后續運行執行。
?可記錄傳感器信息，軟件修正傳感器采集數據。
l 系統指標
1. 全部輸入/輸出信號通道實現通道間隔離；
2. DAQ設備工作溫度：0~55℃(可定制寬溫）;
3. 采集分辨率：16位;
4、最高(同步)采集頻率：40KHz;
5. 測量參數：電壓信號、電流(4~20mA)信號；
6. 運動節拍步進時間誤差<=1ms;
7. 各油缸行程位置精確到10um(量程范圍：0~400mm);
操作臺軟件界面
液壓平臺-緊湊式六自由度運動平臺
并聯六自由度運動平臺通過六個驅動缸的協調伸縮來實現平臺在空間六個自由度的運動，即平臺沿x、 y 、 z 向的平移和繞 x 、 y 、 z 軸的旋轉運動（共6個自由度），以及這些自由度的復合運動。并聯六自由度運動平臺可用于機器人、飛行模擬器、車輛駕駛模擬器、新型加工機床及衛星、導彈等飛行器、娛樂業的運動模擬（動感電影搖擺臺）、多自由度振動搖擺臺的精確運動仿真。
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