Delta并聯機器人運動學協同仿真技術

董保香

摘要：Delta機器人是并聯機器人中的一種優秀代表。可以成功的在狹小的工作空間進行高速抓取物體，以此做為項目的樣機。本文利用NX與Matlab/Simulink協同仿真的方法，在simulink中搭建了Delta機器人的仿真模型，并用該模型協同NX實現了Delta機器人的運動學仿真。

關鍵詞：協同仿真；Matlab/Simulink；NX

1引言

傳統的機電產品設計中，機械結構設計和控制系統設計是各自獨立的，分別采用功能不同的軟件進行設計、調試和試驗，最后通過物理樣機，進行機械結構和控制系統的聯合調試，如果發現問題，需要各自分別修改，然后再進行物理樣機的制造和調試，這需要較長的開發周期[1]。

NX是當今世界最先進的CAD/CAM/CAE三維集成化軟件之一，為用戶提供了一整套集成的、全面的產品開發解決方案，用于產品設計、分析和制造，廣泛應用于航空航天、汽車、通用機械和電子等工業領域。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，它提供了一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計，是常用的控制系統設計軟件之一。

利用NX與Simulink的協同仿真，可以將機械結構與控制系統設計仿真軟件有機結合起來，然后對系統進行協同分析，直到獲得滿意的設計效果，這大大的提高了設計效率，縮短了開發周期，降低了開發產品的成本，獲得了優化的系統整體性能。

本文利用NX與Matlab/Simulink協同仿真的方法，設計了Delta機器人的仿真模型，并用該模型實現了Delta機器人的運動學仿真。

2.Delta機器人結構設計

Delta機器人是一種具有3個平動自由度的高速并聯機器人，它是由三組完全相同擺動桿機構連接定平臺（上正三角形）和動平臺（下正三角形）的空間機構，每組擺動桿機構均由驅動桿和從動桿（四個球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅動桿與定平臺之間通過轉動副連接，從動桿與動平臺通過轉動副連接。由于結構比較復雜，其位置分析也復雜。Delta機器人模型如圖1 所示

3 Delta機器人運動學仿真

根據Delta機器人的特點，抽取出關鍵幾何元素，用線條代替模型，節約計算機資源，加快仿真速度，模型如圖所示。運動副、連桿、傳感器等如圖所示。只要在驅動副中輸入位移、速度、加速度等，仿真模型就可運動。Delta機器人在simulink中的仿真模型如圖3所示。

4 Delta機器人運動學協同仿真

Delta機器人是一種具有3個平動自由度的高速并聯機器人，它是由三組完全相同擺動桿機構連接定平臺（上正三角形）和動平臺（下正三角形）的空間機構，每組擺動桿機構均由驅動桿和從動桿（四個球鉸與桿件組成的平行四邊形）組成，驅動桿與定平臺之間通過轉動副連接，從動桿與動平臺通過轉動副連接。由于結構比較復雜，其位置分析也復雜。Delta機器人及工件輸送帶模型如圖4所示。

在NX中設計完成機械結構，進入NX/Motion環境中，動、定平臺中心與移動工件中心分別設置三個標記點（Marker），然后設置動平臺、工件分別相對于定平臺在XYZ三個方向的相對距離傳感器，通過工廠輸出，把相對距離傳輸給Simulink中的控制程序。設置驅動電機轉角的三個工廠輸入，并通函數管理器添加到轉動副的驅動中。

根據動平臺的位置，用解析法從運動學方程出發，經過一系列消元運算，反解電機轉角，把反解過程集成到Simulink框圖中，并完成控制模型；通過設置工廠輸入與工廠輸出，把控制系統的反饋經工廠輸入利用函數管理器施加到電機轉角控制上，這樣就構成了一個閉環系統。系統在運行時，工件會沿著自己的軌跡向前運動，此時傳感器把工件和動平臺的狀態通過工廠輸出傳遞給控制系統，控制系統計算后把位置反解得到的電機轉角通過通常輸入給NX中旋轉副的驅動，每0.001秒鐘采樣一次。經過仿真，如圖5所示，動平臺大約在0.9秒的時候開始和工件運動同步。

5 結論

從Delta機器人運動學協同仿真結果可以看出，動平臺會準確的定位到移動工件的位置，并保持同步，從而證明了NX與Matlab/Simulink協同仿真的正確性。在Simulink或者NX中可做分析各種情況的圖表動畫等，使系統分析更加共和。以此為平臺，可進行更復雜的機電產品協同仿真，例如協同仿真時考慮電機特性、柔性體等。

參考文獻：

[1]SHEN Jun， SONG Jian. ADAMS and Simulink Co-Simulation for ABS Control Algorithm Research [J]. Journal of System Simulation，2007，19（5）：1141-1143

[2]NX/Documentation. Motion Simulation