1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1目的及意义

机器人技术发展和应用改变了人类的生产和生活方式。机器人不仅能代替人迅速准确完成枯燥的重复性动作，也能进入危险、恶劣环境下完成指定任务，极大地减轻了人们的劳动强度，提高了生产效率和生产质量，保障了人身安全。并联机器人是机器人研究领域的一个重要分支。

Delta机器人，作为一种有闭环结构的并联机器人，主要由上平台(静平台)、下平台(动平台)、3个伺服电机、3根驱动杆和3个平行四边形从动支链组成。伺服电机与驱动杆的一端固定连接，驱动杆的另一端通过转动副与平行四边形从动支链连接，从动支链由球头关节轴承与杆件组成闭环的平行四边形，此闭环通过两个球头球铰与动平台连接^[1]如图1.1。Delta机器人具有重量轻、体积小、运动速度快、定位精确、成本低、效率高等特点, 主要可以实现包装、分掠、轻量搬运等工序,现已广泛应用在电子、食品、制药、医疗等行业^[2]，其理论与应用研究得到了日益广泛的关注

图1.1Delta机器人模型

1.2国内外研究现状分析

并联机器人的出现追溯到20世纪30年代，Gwinnett在其专利中提出一种基于球面并联机构的娱乐装置如图1.2。1940年，Pollard也在其专利中提出了一种用于汽车喷漆的装置如图1.3。1962年，Gough发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置如图1.4。随后Stewart对Gough其发明的机构进行了机构学意义上的研究，并在1965年发表学术论文，将其推广应用于飞行模拟器的运动装置上如图1.5。

图1.2 Gwinnett并联娱乐装置

图1.3 Pollard汽车喷漆装置

	图1.4 Gough轮胎检查装置 图1.5 Stewart并联机构

1978年，Hunt提出来六自由度并联机构作为机器人操作器，从而拉开了并联机器人研究的序幕。但直到20世纪80年代末90年代初，并联机器人才再度被广泛关注，并成为了国际研究重点。1990年，黄真教授等人成功研制我国第一台六自由度并联机器人，随后并联机器人理论及应用在国内掀起了篇章。

目前，并联机器人研究主要集中于机构学、运动学、动力学、控制器设计和视觉技术等领域。

1）机械结构设计

并联机器人的性能由本联机器人的机械结构设计。1988年，Clavel发明第一台Delta并联机器人，用于物料的快速搬运。在早期并联机器人机械结构设计主要为三自由度或六自由度，但随着工业发展，三自由度或六自由度的并联机器人不能满足实际工业作业要求。2013年，Mauro Maya提出可重构的Delta并联机器人^[3]，即Delta并联机器人的定平台参数R动态变化获得动态变化的工作空间。同样，四自由度或五自由度并联机器人理论研究与应用开发成为了并联机器人领域的新方向。

2）运动学求解与分析

在2008年，梁香宇，牛志刚提出了三自由度Delta并联机器人运动学分析及工作空间求解^[4]。然而对于更多自由度的并联机器人，与串联机器人不同，并联机器人其机械结构采用多个运动链，运动学求解复杂，在工作空间进行奇异性、力矩传递性等性能分析更加困难^[5]，因此并联机器人如何快速检测和避免奇异性的研究，和力矩传递性研究是并联机器人运动学一种重要方向；其次，多条运动链产生的闭链约束使得运动学非线性程度加大，从而使得并联机器人的动力学控制问题更加复杂；最后，并联机器人在实际应用中由于加工工差和装配误差存在，需要估计和补偿并联机器人运动参数的误差。运动学标定的差异将影响并联机器人的作业的精度，因此运动学标定方法需要不断改善。

3）动力学建模研究

在2013年宫赤坤^[6], 孙月海^[7]等人提出了Delta并联机器人动力学模型及其仿真。并联机器人存在多运动链和闭链约束，其动力学建模更加复杂。并联机器人的动力学模型描述了并联机器人的运动和各个关节力矩之间的关系。目前并联机器人动力学建模主要有三种方法：Newton-Euler法^[8]、Lagrange法^[9]以及虚功原理^[10]。三种建模方法各有其优缺点，建模方法还在不断地改进和完善。

4）控制器设计

并联机器人模型差异，其控制器的选择也有不同。并联机器人的控制器可以分为运动学控制器和动力学控制器。两种控制器的研究是基于传统的串联机器人控制方法，没有考虑并联机器人在机械结构上具有多个运动支链的特点，忽视并联机器人各支链的协调运动，降低了并联机器人运动的精度。针对并联机器人协调运动问题的控制器研究与设计引起了运动控制领域研究人员的极大兴趣。

5）视觉技术

国内并联机器人视觉技术处于初创阶段。在2013年，孙月海提出了基于单目视觉的Delta机器人零点标定方法^[11]。但是并联机器人的视觉系统大多采用被动视觉或基于串联机构的手眼提供视觉信息，观察范围存在视觉遮挡和视觉盲区，难以跟踪等。针对并联机器人的机构多联并行性和工作空间局部性，目前研究提出了并联机器人双目主动视觉检测平台^[12]。作为一种新的模型，并联机器人双目主动视觉检测平台的理论研究和应用设计成为并联机器人视觉技术研究一个热点。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容和目标

使用两个delta机器人协同进行电子元件焊接时，需要由一个完成元件夹持，另一个完成焊接。本设计要求实现用于元器件识别、定位和夹持的delta机器人，该机器人采用基于opencv的机器视觉识别电子元件类型并完成元件定位，然后抓取元件并放置到指定位置，同时需提供有关信息的输出接口，以便另一台delta机器人与之协同。

2.2技术方案及措施1)视觉技术 上位机视频采集，并计算元件及目标位置坐标。采用计算机microsoft visual studio 的mfc编制上位机软件，利用opencv提供的函数，建立模型，编制算法，实现图像处理。当操作区域为白色布景时，采集图像，将图像二值化与边缘化后，采用最小矩形边界框包围边缘，取元件坐标和方向。若元件很多时，采用就近原则取坐标。2)控制算法 通过对三自由度delta机器人结构分析，建立了运动学模型。基于动平台与固定平台之间的矢量关系，推导出该机器人的运动学方程及其位置反解的公式，并将公式程序化写入上位机软件；同时，可利用matlab的simmechanics建立delta机器人正解模型，求出delta机器人运动学正解，并结合算例验证推导的正确性以及其工作空间。3)总体设计 硬件组成：摄像头，上位机(pc)，运动控制器模块和delta机器人机械结构，如图2.1所示。 图2.1 系统结构图

电子元件散落或码放在固定的区域中，由摄像头对该区域进行视频信息采集，信息输入上位机后，上位机利用视觉技术计算出元件的位置坐标，并计算出delta机器人运动学反解。其次，将delta机器人运动学反解转换为电机输出脉冲数及其输出方向控制信号。然后，控制电机信息传送给运动控制器模块后，采用时间最优轨迹规划策略，运动控制器驱动伺服驱动器控制伺服电机实现联动控制。所谓时间最优轨迹规划，是指在一定的约束条件下，机器人要以最短的时间完成指定的运动动作。其中，优化函数一般都以最小时间为目标，并采用不同的寻优算法，以缩短机器人在既定轨迹上的运动时间^[13]。最后，delta机器人动作，将电子元件夹取，并最终放置在目标位置，另一个delta机器人将电子元件焊接，如图2.2所示。

3. 研究计划与安排

第1-3周：文献查阅，包括著作、期刊、会议论文、网络资源等；

第4周：完成开题报告、论文提纲；

第5-6周：完成delta机器人总体方案设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张中辉等.3自由度delta型并联机器人控制系统设[j]. 组合机床与自动化加工技术,2015.7,(第9期).

[2] 郭晓彬. delta并联机器人运动规划与动力学控制[d]. 广东：广东工业大学, 2015.

[3] mauro maya, eduardo castillo, alberto lomelí1et, al. intech-workspace and payload capacity of a new reconfigurable delta parallel robot[j]. international journal of advanced robotic systems, 2012.9.