4自由度串并联机器人综合实验台

　　　　　　　　　　　研制者　蒙运红　吴昌林　黄进　刘永华等

 

 

 

 

 

 

图一  并联铣床                            图二  并联车床

 

一、实验设备简介

三自由度并联机构和一自由度机构串联，组成了四自由度串并联机器人，它比并联机构运动空间大，比串联机构刚度大、承载能力强、误差小。故串并联机器人在一些特定领域有着更加广泛的用途。

机械基础实验教学示范中心自制了如图一、二两种数控机床。图一为并联铣床，三自由度并联机构终端执行器实现三坐标轴的平动，串联一个旋转主轴，可以加工出一个立体曲面。图二为并联车床，三自由度并联机构终端执行器实现二坐标轴的平动和绕第三坐标轴的转动，串联一个旋转主轴，可以加工出各种回转体曲面。

并联铣床机架外形大小600*600*800（mm）。并联车床机架外形大小1100*600*380（mm）。他们均由三台步进电机驱动和一台调速电机驱动。运动控制由计算机加一台运动控制器完成

二．可开设的实验

1. 并联机器人认识实验；包括并联机器人的组成和应用、并联机构多种运动方案的认识实验。

2. 加工轨迹的离散算法实验：目的是将工件轨迹离散为工具坐标系下的坐标，便于后续的运动学规划。

3. 并联机器人运动学实验：包括三自由度并联机构的运动学正解和反解的特点和方法。

4. 插补实验：三轴联动的插补算法实验。

5. 并联加工作业实验：学生完成2、3、4实验后，可以进行加工作业的练习，用并联铣床加工一个有机玻璃曲面或用并联车床加工一个具有回转曲面的有机玻璃棒。

上述实验从1至5，由浅入深，从认识到实践，对应着不同基础和不同需求的学生。实验方式也从简单到复杂。最简单的是演示性实验，教师讲授并联机构的运动特点和运动规划方法，然后教师或学生操作实验装备，让终端执行器执行预先规划好的运动规律。复杂一点的实验方式是，学生在实验前完成加工轨迹坐标的设计——原动件的运动规律设计——驱动电机的脉冲规律设计等，在实验中可按易到难分别调用不同阶段设计的结果文件，在实验装置上进行实验，以验证原理计算的正确性。最复杂的是探究性实验，对于具有强烈好奇心和探究精神的学生，他们所期望加工的零件形状可能具有更高要求，他们可能对加工出来的作品不是太满意，他们可能想研究加工速度和加工表面质量的关系，他们可能想研究工件轨迹的离散步长和加工表面质量的关系，他们可能想研究切深深度和加工性能的关系等等，此时老师是一个很好的聆听者和配合者，让学生自己去解决实验中遇到和发现的问题。

三  实验装置特点

1. 教学性：本实验密切配合本学科专业基础课程机械原理课堂教学而设计的实验。机械原理课堂教学的目的就是教授学生掌握运动方案的设计方法。连杆机构是运动方案设计中最简单应用最广泛而设计最丰富多彩最具有创新元素的一类机构，串联机械手和并联机器人是连杆机构最具代表性的两大类工业产品。本实验的理论基础是连杆机构的设计方法，贴近教学实际，使课堂教学的重点内容在实验中得以训练、拓展和提高，实验中发现的问题反过来对改进教学方法起到促进作用。

2. 科学性：该实验装置是工业产品的一个缩影，其所开设的实验内容既反映了课堂教学中的方法和原理，又反映了许多工程实践中遇到的问题，体现了理论和实践相统一的科学原则，有利于学习科学知识，树立科学意识，掌握科学方法和实验操作技能。

　　3. 创新性 ：本实验装置国内首创，其中一种形式的运动方案是用本实验室研制的创新设计方法产生的。实验装置构思巧妙，实验方式、方法和内容深浅不一，满足不同兴趣的学生需求；   

4. 启发性：通过演示可直观地展现并联机器人的运动特点，对学生运动规划和运动控制方法可以进行验证；可以展现工程实践中的具体问题，引发学生的学习兴趣和思考，有利于学生主动参与、互动、合作交流。该实验满足认识性、启发性、综合性等实验教学环节及学生动手能力的训练的要求，有利于培养学生创新精神和实践能力。

    5. 实用性：实验装置小巧，一间84平方米的实验室可以放置8～10台，可供一班同学2~3人一组实验。装置易于操作、性能稳定，通用性好、安全可靠，价格低廉、便于推广。

 

　　　　　　　　　　　　　　附录　实验装置图

图三  并联铣床综合实验台及作业

 

图四  并联车床及加工

 

url： http://www.51lm.cn/p/templates/cn/show.php?cid=905&aid=3084