系列并联机构使用说明书

1、目录目录1前 言2第一章 注意事项31.1 开箱注意事项31.2 使用时注意事项3第二章 系统构成42.1 机械部分42.2 控制系统42.3 控制电气原理5第三章 系统安装63.1 安装运动控制卡63.2 连线63.3 安装软件73.4 GPM系列并联机构使用73.5 注意事项7第四章 GPM并联机构运动学84.1 GPM-200并联机构几何参数84.2 GPM-200并联机构正向运动学84.3 GPM-200并联机构反向运动学94.4 GPM-200并联机构工作空间的确定10第五章 GPM并联机构运动规划与控制11附录A：软件使用说明13A.1 界面13A.2 使用13附录B：电气原理图1

2、5前 言两自由度并联机构GPM系列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。用于自动控制和机电一体化等专业的机器人课程教学，辅助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。在安装、使用和维护之前，请仔细阅读本使用手册。请将本手册备在身边，以备需要时随时查阅。不正确的操作将会导致重大人身事故警告标志不正确的操作会导致设备损坏被禁止的操作必须要做的操作第一章 注意事项1

3、.1 开箱注意事项l 开箱之后，先检查GPM并联机构及其配套件有无短缺、损坏。l GPM系列并联机构系统清单如下：附件数量GPM系列并联机构主体（含伺服电机）1并联机构臂1（副）控制箱1GT400-SV运动控制卡162芯屏蔽电缆2电源电缆115PIN电缆(DB)225PIN电缆(DB)14芯电缆(航空插头)3DB9PIN电缆1光盘1内容GT-400-SV运动控制卡用户使用手册GT-400-SV运动控制卡DOS环境下库函数，应用实例和测试软件GT-400-SV运动控制卡Windows动态链接库，应用实例和测试软件GPM系列并联机构用户使用手册及演示程序1.2 使用时注意事项l GPM系列并联机构

4、要摆放在有足够强度和稳度的桌面或地面上；l 不要在高温和潮湿的环境中使用该设备；l 在使用时，要注意使并联机构有足够的运动区间，不得使其与其它物体干涉。第二章 系统构成固高科技（深圳）有限公司开发的GPM系列并联机构系统组成如下图1.1所示，它包含电控箱、并联机构本体及由运动控制卡和相关软件组成的运动控制平台等三大部分。其中普通PC机由客户自己提供，也可由本公司选配。2.1 机械部分GPM系列并联机构机械部分主要包括： 机械平台（530×600×70）(mm×mm×mm)并联机构臂（244×244）×3 控制平台电控箱锂电池电机及减速

5、机 并联机构本体图1.1 GPM系列并联机构系统2.2 控制系统GPM系列并联机构控制系统主要由普通PC机、电控箱、固高运动控制卡、伺服电机及相关软件组成。伺服电机及编码器采用松下MSMA042C交流伺服电机(带17位绝对型编码器)；绝对编码器电源（位于面板底下3节3.6V锂电池）。电控箱包含松下MSDA043D交流伺服驱动器，24V直流电源，断路器，接触器，按钮开关等。工作机理：PC机通过主机通讯接口向运动控制器发出运动控制指令，并通过该接口获取运动控制器的当前状态和相关控制参数。运动控制器完成实时轨迹规划、输出控制、主机命令处理和控制器I/O管理。运动控制器通过三路输出接口控制电机实现主机

6、要求的运动。从而实现三个轴的各种运动。原理框图如下：绝对位置伺服电机伺服驱动器运动控制器PC机增量信号光电编码器绝对型编码器反馈信号通过伺服驱动器变换成绝对信号及增量信号，绝对信号通过RS-232串口送至主PC机，使PC机读取绝对位置，增量信号送至运动控制卡读取增量位置。笔架部分可以根据需要换成电磁铁，该部分由气缸来驱动。气缸和电磁铁的动作由GT400-SV-PCI的IO来控制。2.3 控制电气原理控制电气原理原理见附录。第三章 系统安装将运动控制卡从防静电袋中取出之前，请将手与有效接地的导体接触一会儿，以去除静电。不要用手接触卡上的芯片，以免损坏运动控制卡3.1 安装运动控制卡检查运动控制卡

7、的外观有无损坏；关闭计算机电源，打开机箱；将运动控制卡插入PCI槽中；用螺钉锁紧运动控制卡和转接头；将转接头和卡上的CN2插座用转接电缆连上；合上机箱。3.2 连线进行连接前，请先确认断路器，主电源开关处于断开状态；CN1CN23#信号2#信号1#信号15PIN4PIN1#电源总电源断路器9PIN3PIN25PIN绝对编码器将运动控制卡的CN1插口和电控箱的CN1插口用屏蔽电缆连结起来；将转接头(CN2)的插口和电控箱的CN2插口用屏蔽电缆连结起来；将电控箱的25/15针插口(伺服电机信号插座)和并联机构的相应插头（1#信号、2#信号、3#信号分别对应）相连接；电控箱后面板示意图将伺服电机电源

8、线插头（4芯）与电控箱相应的4针伺服电机电源插座（1#电源、2#电源、3#电源分别对应） 相连接。将绝对编码器信号线插头（9芯）与电控箱的绝对编码器信号（4针）插座连接。另一端接入计算机的串口一（COM1）。将电源线一端插入电控箱总电源插座，另一端接入220V AC电源。电源电缆均用于强电，如有破损可能导致人身事故特别说明：必须确认相应电缆连接无误后，方可通电。3.3 安装软件GPM系列并联机构系统附带光盘含如下软件：GT-400-SV-ISA(PCI)运动控制卡用户使用手册。GT-400-SV-ISA(PCI)运动控制卡DOS环境下库函数，应用实例和测试软件。GT-400-SV-ISA(PC

9、I)运动控制卡Windows动态链接库，应用实例和测试软件。GPM系列并联机构用户使用手册及演示程序（含源代码）。使用之前请阅读README.DOC。1Windows环境下驱动程序、测试软件的安装及动态链接库的使用，请参阅GT-400-SV运动控制卡用户使用手册附录A。2Windows环境下的应用实例，请复制到硬盘相应位置，使用相关软件（如：VC，VB，DP等）打开。3对于DOS环境下的测试软件，直接复制到相应的目录下即可运行，该软件可运行在Windows环境下，但我们推荐在DOS实模式下运行。4对于DOS环境下的应用实例，可将实例和库函数直接复制到相应的目录下，然后使用打开相应软件（如BC3

10、.1），建立工程，将实例和库函数添加到工程中进行编译。（请注意编译模式和库函数要相对应）5并联机构的演示程序为Windows环境，运行DemoSetupsetup.exe即可。3.4 GPM系列并联机构使用1 首先确认系统连线正确；2 打开PC机；3 闭合控制箱背面的断路器；4 按下面板上的绿色“启动按钮”打开控制电路，此时控制电源指示灯(GREEN)点亮；5 按下面板上的红色“停止按钮”，此时控制电源指示灯灭，控制电路不能工作。3.5 注意事项1.在进行系统连线、拆卸与安装前，必须关闭系统所有电源。2. 使用前请仔细检查连线。使用运动控制卡测试程序或者在调试程序中，必须卸下并联机构臂，否则很

11、有可能引起并联机构臂因受力断裂，电机损坏，甚至人身意外的危险。第四章 GPM并联机构运动学本章简述的并联机构运动学，只研究并联机构的各连杆间的位移关系以及软件实现的方法。为了并联机构的各连杆间的位移关系，建立如下坐标系：4.1 GPM-200并联机构几何参数Y3A3B1l11l31l121l32B3A1C（X，Y）l222B2Xl21A2O如上图建立坐标系后，GPM-200并联机构几何参数为：连杆长度相等：l11=l12=l21=l22=l31=l32=l1=244mm；电机位置A1（xa1,ya1），A2(xa2,ya2)，A3(xa3,ya3)在坐标系中的坐标为：A1（0，250），A2（

12、433，0），A3（433，500）连杆关节：B1(xb1,yb1),B2(xb2,yb2),B3(xb3,yb3)4.2 GPM-200并联机构正向运动学对于正向运动学，就是已知电机转角位置1，2，3；求并联机构连杆末端位置C(X,Y)坐标。 从以上坐标系中的几何关系可得：xb1=xa1+l1×cos(1); yb1=ya1+l1×sin(1); xb2=xa2+l1×cos(2); yb2=ya2+l1×sin(2); xb3=xa3+l1×cos(3); yb3=ya3+l1×sin(3); A=xb1×xb1+yb1

13、×yb1; B=xb2×xb2+yb2×yb2; C=xb3×xb3+yb3×yb3; 因为连杆等长，B1,B2,B3与C点的距离相等，连立方程并求解，可得C点坐标：X=(A×(yb2-yb3)+B×(yb3-yb1)+C×(yb1-yb2)/(2×(xb1×(yb2-yb3)+xb2×(yb3-yb1)+xb3×(yb1-yb2);Y=(A×(xb3-xb2)+B×(xb1-xb3)+C×(xb2-xb1)/(2×(xb1×

14、(yb2-yb3)+xb2×(yb3-yb1)+xb3×(yb1-yb2);在软件设计中，FrowardKinematicsch()为正向运动学的求解函数；Public Sub ForwardKinematicsch(angle1 As Double, angle2 As Double, angle3 As Double)4.3 GPM-200并联机构反向运动学对于反向运动学的求解，就是已知并联机构连杆末端位置C(X,Y)；求电机的角度位置1，2，3。从以上坐标系中的几何关系可得：a1c为直线A1C的长度；a2c为直线A2C的长度；a3c为直线A3C的长度；1为直线A1C与

15、X轴的夹角，2为直线A2C与X轴的夹角，3为直线A3C与X轴的夹角。1=arctg(y-ya1)/(x-xa1); 2=+arctg(y-ya2)/(x-xa2);3=+arctg(y-ya3)/(x-xa3); a1c =a2c=;a3c=;1=arccos(a1c/(2×l1)+ 1;2=arccos(a2c/(2×l1)+ 2;3=arccos(a3c/(2×l1)+ 3; 换算成角度：1=1×180/;2=2×180/;3=3×180/;在软件设计中，InverseKinematics()为反向运动学的求解函数；Public

16、Function InverseKinematics(x As Double, y As Double) As Integer4.4 GPM-200并联机构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）。如图：g3W1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W3w2w3 在g1上w3w1 在 g2上W1w1w2 、w2w3、w3w1 包括的范围即为W2g1有效工作范围 g2g1：g2：g3：在软件设计中，PointIsInWor

17、kspace() 为判断连杆末端是否在工作空间的函数；Public Function PointIsInWorkspace(x As Double, y As Double) As Integer第五章 GPM并联机构运动规划与控制并联机构运动的规划和控制是确保并联机构三个轴能够协调工作，使得并联机构的末端按照所规划的轨迹运动。进行单轴规划，机构的运动规划分解成单轴的运动规划，单轴规划如下：先由正向运动学计算出当前点的坐标（xc，yc），加上给定目标位置（xg,yg），运动时间t；则：根据采样时间将t进行细化，将各轨迹点的位置值计算出来，再由反向运动学计算出各轨迹点对应的3根轴的转角，并转换成

18、脉冲数，同时根据3根轴的转角脉冲数计算各轴相应的速度。通过固高运动控制器的坐标系命令GT_SetVel(),GT_SetPos()发送速度、位置命令，控制3根轴协调工作，从而实现轨迹运动。在软件设计中：linedemo()为直线运动控制函数：机构末端从当前点到目标点作直线运动。Public Sub linedemo(xg#, yg#, t#)函数中（xg,yg）为目标位置坐标，t为规划运动时间（假设）。circledemo()为圆周运动控制函数：机构末端以当前点为起点，以给定点为圆心，按给定方向作圆周运动。Public Sub circledemo(xcen#, ycen#, direct A

19、s Integer, t#)函数中（xcen,ycen）为圆心坐标，direct为圆周运动方向，t为规划运动时间（假设）。GT_ExtOp() 对控制板卡的IO端口操作。该函数采用位操作： Bit 0为气缸控制。置“0”，为打开Z轴电磁阀，气缸向下运动。 置“1”，为关闭Z轴电磁阀，气缸向上运动。（相关命令请参照板卡用户手册。）例如：GT_ExOpt (&HFFFE) 气缸下落，下笔Sleep (300)Call linedemo(250#, 280#, 3000#, 5#) '走直线Sleep (200)GT_ExOpt (&HFFFF) 气缸抬起，抬笔第六章 维护及

20、常见故障对策定期检查GPM并联机构各部件之间的连接，连线及绝对编码器电源（锂电池）的状况。常见故障对策故障现象故障原因对应措施电机不动接线松动或脱落连好连线运动控制卡不正常重装运动控制卡或换卡绝对编码器电源不足更换锂电池异常噪音谐波减速器等机械连接故障电机参数不佳排除机械故障重新调整电机参数特别说明：1、并联机构超限不停，是控制软件出错，应立即按电控箱的急停按钮，并检查控制软件。2、更换锂电池时，因绝对编码器掉电，会使电机驱动器报警。必须用通过驱动器将绝对编码器清零才能消除报警（具体操作见电机驱动器使用说明书）。因此要尽保持绝对编码器电源。3、电机参数调整需要对电机驱动器有较清楚的了解，因此一

21、般情况不会调整电机参数调整附录A：软件使用说明A.1 界面机构当前位置坐标机构初始位置示意命令按钮运动状态提示区 运动按钮演示软件界面如上图；屏幕左边为命令按钮，中间为并联机构的坐标状态提示栏，右边为机构初始位置示意图，下边是运动命令按钮。运动命令按钮上部为运动超限提示区。 A.2 使用标定：用鼠标点击“Calibration”按钮后，在命令状态栏会提示："Please Turn The Parallel Mechanism to The Home Position Manually， Then Click TheOKButton”；用手将并联机构连杆末端移到零点位置，然后按“ OK”将当前点定为零点，并记下绝对编码器读数；在运动之前请确认将并联机构连杆末端移到零点位置运动按钮：按“Motion” 按钮，下方的运动