氣動(dòng)機(jī)械手是機(jī)械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)可靠、不污染工作環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。在要求工作環(huán)境潔凈、工作負(fù)載較小、自動(dòng)生產(chǎn)的設(shè)備和生產(chǎn)線上應(yīng)用廣泛，它能按照預(yù)定的控制程序動(dòng)作。圖12一13為一種簡(jiǎn)單的可移動(dòng)式氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。它由A、B、C、D四個(gè)氣缸組成，能實(shí)現(xiàn)手指夾持、手臂伸縮、立柱升降、回轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作。
運(yùn)動(dòng)學(xué)求解是運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的一個(gè)重要方面，并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研宄機(jī)構(gòu)位移、 速度、加速度甚至加加速度與時(shí)間的關(guān)系問題。一般情況下，由于并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué) 正解具有多解性，所以并聯(lián)機(jī)器人的正解求解比較困難，而并聯(lián)機(jī)器人逆解求解相對(duì)比 較容易。]^〇八仿6等[3()]提出采用Newton-Raphson方法求出了 Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué) 正解。Boudreau等[31]通過遺傳算法求解并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。SerdarKucuk[32]采用粒 子群算法對(duì)3-RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。XinhuaZhao等采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái) 速度方向的方法求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。姜虹等[34]提出采用位置反解迭代法求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。 陳學(xué)生等[35]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ㄇ蠼?-SPS并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解。
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動(dòng)力學(xué)主要研宄物體運(yùn)動(dòng)和受力的關(guān)系，與運(yùn)動(dòng)學(xué)類似，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要解決動(dòng) 力學(xué)正問題和逆問題。動(dòng)力學(xué)正問題是指根據(jù)關(guān)節(jié)力矩或力求解操作臂關(guān)節(jié)的位移、速 度、加速度，動(dòng)力學(xué)逆問題是指根據(jù)操作臂關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度求解所需的關(guān)節(jié) 力矩或力。
軌跡規(guī)劃是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，軌跡規(guī)劃的結(jié)果直接影響機(jī)器人工作過程中控 制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其可靠性。合理的軌跡規(guī)劃能夠使機(jī)器人順利完成空間復(fù)雜的軌跡曲 線，并準(zhǔn)確、快速、平穩(wěn)的到達(dá)指定位置，因此，機(jī)器人的軌跡規(guī)劃算法研宄具有重要 的理論意義和工程價(jià)值。
研究發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人的軌跡規(guī)劃中加入動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行軌跡優(yōu)化，得到的運(yùn)動(dòng)控制 擬合曲線能夠極大地提高機(jī)器人的運(yùn)行速度和穩(wěn)定性。由于運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型相結(jié)合 的軌跡規(guī)劃是基于理想系統(tǒng)模型的分析，所以不會(huì)增加系統(tǒng)的硬件成本，它是快速、高 效提高系統(tǒng)性能的一個(gè)有效手段，在Delta機(jī)器人的軌跡規(guī)劃中，將會(huì)把動(dòng)力學(xué)模型加 入到軌跡規(guī)劃中來。
現(xiàn)代機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性決定了機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新性，機(jī)構(gòu)學(xué)的研宄對(duì)于提高相關(guān)機(jī)械產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)和國際競(jìng)爭(zhēng)力有著非常重要的意義，現(xiàn)代機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的新理論和新方法、特殊功能 的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論以及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)、微操作和微尺度機(jī)械的機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)構(gòu)與機(jī)器人動(dòng)力 學(xué)、新型移動(dòng)與操作機(jī)器人、仿人與仿生機(jī)器人和微納機(jī)器人在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中扮演著越來越重要的角色。因此，加大對(duì)以上機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的研宄是機(jī)構(gòu)學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)[24]。
本章將對(duì)Delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入分析，其中機(jī)構(gòu)學(xué)研宄中 主要介紹該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及其設(shè)計(jì)理念，與此同時(shí)，對(duì)機(jī)器人的工作空 間和奇異位形進(jìn)行理論上的分析。
為了更好地對(duì)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和工作空間軌跡規(guī)劃擬合曲線進(jìn)行分析，對(duì)兩種軌 跡規(guī)劃方法得到的Delta機(jī)器人工作空間整體擬合曲線進(jìn)行對(duì)比如圖3-19所示，紅色實(shí) 線和綠色虛線分別表示工作空間和關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃得到的工作空間擬合曲線，圖（a) 為工作空間內(nèi)的整體位移曲線圖，圖（b)為末端執(zhí)行器水平轉(zhuǎn)運(yùn)階段位移曲線放大圖，由圖可知，利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在水平轉(zhuǎn)運(yùn)階段y軸方向的抖動(dòng)大約為9mm，抖動(dòng)的主要原因有兩方面：第一，在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃中，對(duì)拐彎半徑控 制點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，以減小Delta機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取和釋放物體的豎直運(yùn)行階段x軸方 向的抖動(dòng)，但是，增加了水平轉(zhuǎn)運(yùn)階段y軸方向的抖動(dòng)；第二，在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃中， 選取的工作空間關(guān)鍵點(diǎn)不對(duì)稱。圖（c)、（d)為Delta機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取和釋放物 體的豎直運(yùn)行階段放大圖，由圖可知，關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在x軸方 向分別有0.6mm、0.8mm的輕微抖動(dòng)。工作空間軌跡規(guī)劃方法得到的擬合曲線在X、j 軸方向沒有抖動(dòng)，結(jié)合圖3-12和3-16可知，利用工作空間軌跡規(guī)劃方法得到的工作空 間擬合曲線明顯好于利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法得到的工作空間擬合曲線。
由于Delta機(jī)器人使用的直驅(qū)力矩電機(jī)精度較高，其旋轉(zhuǎn)編碼器的精度高達(dá) 405000c〇Unt, —般的伺服驅(qū)動(dòng)器難以達(dá)到如此高的控制精度，Copley驅(qū)動(dòng)器是使用成熟 的一類高性能驅(qū)動(dòng)器，其交流伺服驅(qū)動(dòng)器體積緊湊、輸出功率大并滿足所需的高精度控 制要求，所以選擇了 Copley交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)高精度直驅(qū)力矩電機(jī)進(jìn)行PID控制。
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