本章將對Delta機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(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，對機(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軸方向的抖動大約為9mm，抖動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，但是，增加了水平轉(zhuǎn)運(yùn)階段y軸方向的抖動；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。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，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)動器難以達(dá)到如此高的控制精度，Copley驅(qū)動器是使用成熟 的一類高性能驅(qū)動器，其交流伺服驅(qū)動器體積緊湊、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)動器對高精度直驅(qū)力矩電機(jī)進(jìn)行PID控制。
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傳統(tǒng)PLC是一種專用的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成，硬件包 括中央處理器、輸入單元、輸出單元、通信接口、存儲器、擴(kuò)展接口、電源及外 圍設(shè)備[32];軟件包括系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用程序及編程語言軟件等，基本結(jié)構(gòu)如圖 2.7所示。
傳統(tǒng)PLC采用“循環(huán)掃描，順序執(zhí)行”的工作方式，即在每一次掃描周期 內(nèi)都要完成輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，然后進(jìn)行新一輪的掃 描任務(wù)[33]，傳統(tǒng)PLC的工作過程如圖2.8所示。
PLCI/O接口實(shí)現(xiàn)SERCOS-III協(xié)議有以下兩種方式：FPGA模式（Field— Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列）和通用 MCU (Micro Control Unit，微處理器）+標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件加載SERCOS軟件核心模式。由于FPGA模式通常 融合SERCOS總線控制器而不能夠自由選擇其余硬件，所以本文采用后者，進(jìn) 一步提高系統(tǒng)接口的開放性。
軌跡規(guī)劃是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解、正解的實(shí)際工程應(yīng)用，分析機(jī)器人的軌跡特點(diǎn)及其 應(yīng)用場合，對機(jī)器人進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃是機(jī)器人運(yùn)動控制的基礎(chǔ)。因此，軌跡規(guī)劃算 法的好壞直接影響了機(jī)器人的動力學(xué)性能[44_45]，軌跡規(guī)劃在非線性系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)中占 有不可替代的作用[46_47]。一方面，軌跡規(guī)劃結(jié)果可以作為前饋項(xiàng)與反饋控制一起構(gòu)成兩 自由度控制，從而獲得更好地運(yùn)動控制性能；另一方面，最優(yōu)軌跡規(guī)劃與最優(yōu)控制具有 一致性，借助最優(yōu)的軌跡規(guī)劃結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)滿足各種約束并具有特定優(yōu)化指標(biāo)的運(yùn)動 控制。
該課題的主要研宄成果為軌跡規(guī)劃方法，軌跡規(guī)劃涉及到機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)、 動力學(xué)等內(nèi)容，其研究成果可用于軍事機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域，例如，火炮自動裝填系統(tǒng)、遙 控武器站直瞄系統(tǒng)、直線彈射系統(tǒng)等。
運(yùn)動學(xué)分析一直是并聯(lián)機(jī)器人研究的關(guān)鍵問題，并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)求解可分為： 運(yùn)動學(xué)逆解和運(yùn)動學(xué)正解。運(yùn)動學(xué)逆解是指在己知末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡、方向及其時 間導(dǎo)數(shù)的情況下，求解各個驅(qū)動關(guān)節(jié)的變量值及其時間導(dǎo)數(shù)，它包括位置、速度和加速 度逆解。運(yùn)動學(xué)正解是指在已知各驅(qū)動關(guān)節(jié)變量值及其時間導(dǎo)數(shù)的情況下，求解末端執(zhí) 行器的運(yùn)動軌跡、方向及其時間導(dǎo)數(shù)，因此它包括位置、速度和加速度正解。
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