整理GPM系列并联机构使用说明书.docx
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整理GPM系列并联机构使用说明书
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。
警告标志
第一章注意事项
1.1开箱注意事项
●开箱之后，先检查GPM并联机构及其配套件有无短缺、损坏。
●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
1
GT400-SV运动控制卡
1
62芯屏蔽电缆
2
电源电缆
1
15PIN电缆（DB）
2
25PIN电缆（DB）
1
4芯电缆（航空插头）
3
DB9PIN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
●GPM系列并联机构要摆放在有足够强度和稳度的桌面或地面上；
●不要在高温和潮湿的环境中使用该设备；
●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
图1.1GPM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
3.1安装运动控制卡
检查运动控制卡的外观有无损坏；
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；
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220VAC电源。
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（PCI）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。
1．Windows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。
2．Windows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BC3.1），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Demo\Setup\setup.exe即可。
3.4GPM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。
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：
4.1GPM-200并联机构几何参数
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（433，0），A3（433，500）
连杆关节：
B1（xb1,yb1）,B2（xb2,yb2）,B3（xb3,yb3）
4.2GPM-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θ1，θ2，θ3；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（θ1）;
yb1=ya1+l1×sin（θ1）;
xb2=xa2+l1×cos（θ2）;
yb2=ya2+l1×sin（θ2）;
xb3=xa3+l1×cos（θ3）;
yb3=ya3+l1×sin（θ3）;
A=xb1×xb1+yb1×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×（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；
PublicSubForwardKinematicsch（angle1AsDouble,angle2AsDouble,angle3AsDouble）
4.3GPM-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θ1，θ2，θ3。
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；
α1为直线A1C与X轴的夹角，α2为直线A2C与X轴的夹角，α3为直线A3C与X轴的夹角。
α1=arctg（（y-ya1）/（x-xa1））;
α2=π+arctg（（y-ya2）/（x-xa2））;
α3=π+arctg（（y-ya3）/（x-xa3））;
a1c=
a2c=
;
a3c=
;
θ1=arccos（a1c/（2×l1））+α1;
θ2=arccos（a2c/（2×l1））+α2;
θ3=arccos（a3c/（2×l1））+α3;
换算成角度：
θ1=θ1×180/π;
θ2=θ2×180/π;
θ3=θ3×180/π;
在软件设计中，InverseKinematics（）为反向运动学的求解函数；
PublicFunctionInverseKinematics（xAsDouble,yAsDouble）AsInteger
4.4GPM-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：
W1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
w2w3在g1上
w3w1在g2上
w1w2、w2w3、w3w1包括的范围即为
有效工作范围
g1：
g2：
g3：
在软件设计中，PointIsInWorkspace（）为判断连杆末端是否在工作空间的函数；
PublicFunctionPointIsInWorkspace（xAsDouble,yAsDouble）AsInteger
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。
PublicSublinedemo（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。
PublicSubcircledemo（xcen#,ycen#,directAsInteger,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：
Bit0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）
Calllinedemo（250#,280#,3000#,5#）'走直线
Sleep（200）
GT_ExOpt（&HFFFF）‘气缸抬起，抬笔
第六章维护及常见故障对策
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
3.政府部门规章
二、环境影响评价的要求和内容特别说明：
（7）列出安全对策措施建议的依据、原则、内容。
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。
内涵资产定价法基于这样一种理论，即人们赋予环境的价值可以从他们购买的具有环境属性的商品的价格中推断出来。
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。
规划环境影响评价技术导则由国务院环境保护主管部门会同国务院有关部门制定；规划环境影响评价技术规范由国务院有关部门根据规划环境影响评价技术导则制定，并抄送国务院环境保护主管部门备案。
3、电机参数调整需要对电机驱动器有较清楚的了解，因此一般情况不会调整电机参数调整
另外，故障树分析（FTA）和日本劳动省六阶段安全评价方法可用于定性、定量评价。
附录A：
软件使用说明
（2）安全验收评价。
A.1界面
机构当前位置坐标
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：
"PleaseTurnTheParallelMechanismtoTheHomePositionManually，ThenClickThe‘OK’Button”；
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，下方的运动按钮由灰变亮，运动按钮可用。
回零：
按“Home”按钮，并联机构连杆末端自动从当前点回到零点位置；在命令状态栏会提示：
“ParallelMechanismisGoingHome......”
直至运动到位。
直线：
按“Line”按钮，并联机构连杆末端从当前位置到规划目标位置按直线轨迹运动；在命令状态栏会提示：
“ParallelMechanismisRunninginLineMotionMode......”
直至运动到位。
圆周运动：
按“Circle”按钮，并联机构连杆末端按圆周轨迹运动；在命令状态栏会提示：
“ParallelMechanismisRunninginCircleMotionMode......”
直至运动到位。
演示运动：
按“Demo”按钮，并联机构连杆末端按给定的直线，圆周等轨迹连续运动；在命令状态栏会提示：
“ParallelMechanismisRunninginLine&CircleMotionModeContinually......”
直至运动到位。
仿真：
按“Emulation”按钮，仿真界面出现。
回零仿真：
按“Home”按钮，右图模拟并联机构连杆末端从当前点回到零点位置轨迹运动。
直线仿真：
按“Line”按钮，右图按给定的目标点坐标，运动时间；模拟并联机构连杆末端从当前点回到给定点位置轨迹运动。
圆周仿真：
按“Circle”按钮，右图按给定的圆心坐标，方向，运动时间模拟并联机构连杆末端从当前点开始进行圆周轨迹运动。
返回主界面：
按“Return”按钮,仿真界面隐藏，主界面出现。
退出：
按“Exit”按钮，退出演示程序。
附录B：
电气原理图
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