工業機器人機械系統運動學及運動控制研究

劉瑀　張超

摘 要：隨著社會經濟與科學技術的不斷發展，人們的生產與生活過程逐漸邁入智能化，也為工業機器人的發展提供了巨大的潛力與空間。影響工業機器人機械系統運動學以及運動控制的因素有很多，分析其關鍵影響因素，并實施更為科學的解決方案，是當前工業機器人發展的重要思路。本文針對工業機器人機械系統運動學以及工業機器人機械系統運動控制進行初步分析與探討，為相關從業人員提供參考。

關鍵詞：工業機器人;機械系統;運動控制

0 引言

在工業生產過程中，工業機器人通常被稱為工業機器手，而影響工業機器手實際工作效能的關鍵，在于各個關節的運動控制與機器人末端的位姿運動分析的有效結合。從系統功能角度出發，可將工業機器人劃分為控制器、操作機、傳感系統以及末端執行器四個部分，而對工業機器人進行運動學分析，其關鍵點在于對機器人加速度、速度以及位置的有效控制。除此之外，工業機器人的動力系統根據動力來源，可分為復合式驅動、電動驅動、啟動驅動以及液壓驅動四種。

1 工業機器人機械系統運動學

1.1 正向運動學

正向運動學的關鍵點在于工業機器人位姿以及運動學方程求解，例如，將a設定為平面關節型號機器人，而此類機器人的運動構件主要分為腕關節、肘關節與肩關節，這三者在軸線角度是相互平行關系;同時，又與機械手手部中心位置緊密相關。此時，根據正向運動學的相關理論知識，將d設定為連桿參數變量，而其他參數的總數設定為J，并且這些參數都是常量。在方程計算過程中，關節結構已經設定為平行軸線型，因此，其實際的連桿構件均位于相同平面體系中，依照這些已知內容，可以準確獲得機器人的連桿參數。同時，將參數劃分為轉角變量、連桿距離、連桿長度、連桿扭角等，最終得出機械手的運動學方程為T=A1*A2*A3*...Ax，在方程中，A1為固定坐標系內的齊次變換矩陣，A2代表相對于A1的齊次變換矩陣，以此類推，并依照實際參數將具體的齊次變換矩陣表示出來，最終代入運動學方程中。

1.2 逆向運動學

DH法是當代工業機器人機械系統的逆向運動學的理論基礎，其核心關鍵點在于，通過DH法完成運動學方程的建立與求解。在正向運動學的基礎上，將所需要求解的運動參數，代入到位姿變換矩陣表達式中，并依照其他已知數據，最終求出逆向運動學方程。在逆向運動學方程的求解過程中，需要注意運動學模型的相符性質，在確定坐標系時，需要對坐標軸以及原點位置進行有效分析。

2 工業機器人機械系統運動控制

根據工業機器人機械系統運動控制的基本特點，可將其劃分為位置與速度控制、力矩控制與軌跡控制，其中，力矩控制過程與位置與速度控制過程存在一定的相似性，而軌跡控制又受到前兩者的影響。

2.1 位置與速度的控制

依照工業機器人的實際應用場景與技術本質，其機械系統的運動控制技術與行業領域內的自動化技術不存在本質區別，均是現代自動化與智能化工業生產過程的有機體現。但是，機械手的控制系統通常表現為多軸或單軸機器人對運動的有效協調，并精準控制機械手的實際位置與速度，與自動化控制技術相比，其位置與速度的精度要求更高。在實施工業機器人運動系統位置與速度的控制過程中，需要分別針對位置與速度的基本特性進行有效區分，其中，位置控制過程，其控制方式可以分為點位控制與連續控制。點位控制是指對每一個離散點末端的執行裝置，進行姿態調控與位置調整，進而實現相鄰兩個離散點之間的有效運動。連續控制是是指機械手在運動過程中，需要具備軌跡平滑、速度可控其運動效果平穩的特點。機械手的速度控制需要在位置控制過程中同步實施，機械手的運動姿態以及行程，需要嚴格遵照與速度相對應的變化曲線關系。

2.2 力矩控制

工業機械手的實際做功過程，不僅要控制其運動速度與位置，也需要對其所能施加的力矩進行合理操控，而力矩的控制理念，與位置控制理念基本相同，而這兩者之間，力矩控制是將位置控制的相關數據信號替換為力矩信號。當前，工業機器人均為連桿串接結構，而其自身所具備的運動特性，更是一直處于非線性狀態，并且，實際的參數與變化狀態高度集中。在機械手的位置控制過程，力矩的控制方法需要針對機械手的實際運動軌跡，在確定精準空間坐標以及位置信號的前提下，利用傳感器，將機械手當前所處的位置信息及時傳送，并利用速度傳感器獲取機械手關節速度，同步將這一數據傳送至機器人關節系統中，并由傳感器獲取數據參數。機器人的關節傳感器在獲取到速度與位置傳感器發送的信息后，需要對數據進行具體的分析與計算，最終根據機械手在特定位置所需要具備的基本速度，發出對應的力矩質量，實現機械手運動過程的有效控制。

2.3 軌跡跟蹤控制

工業機器人的應用過程往往具備高度重復性，無論是執行噴涂，亦或是切割與焊接操作，均具備制定的軌跡，而軌跡跟蹤控制的關鍵控制點在于誤差的掌控，而提高跟蹤軌跡的精度，更是行業研究人員所關注的重點。通常情況下，依照工業機器人機械系統運動學原理，可將軌跡跟蹤控制工作交給迭代控制器來完成。機械控制系統在對機械手的運動軌跡進行跟蹤過程中，會將誤差數據進行反復學習，并將學習的結果傳送至迭代控制器中，進而根據內部設定的程序，優化其軌跡行進過程。另外，實施軌跡跟蹤控制過程中，迭代控制器也可以對機械手的各個構件進行有效跟蹤，并依照各個關節的輸入軌跡以及機械手的實際軌跡進行有效協調，隨著迭代次數的不斷增加，機械手各個關節的位置與軌跡誤差將會不斷減少，機械手的運動軌跡也將會更為合理，實際精度不斷提高。

3 結束語

綜上所述，工業機器人機械系統運動學方程范圍正向運動學與逆向運動學兩個層次，而機械手的控制過程，又分為位置與速度控制、力矩控制與軌跡控制，行業研究人員在優化工業機器人工作效能的過程中，需要基于以上幾個基本因素，不斷優化其運動過程，進而充分發揮工業機械人的智能化與自動化。

參考文獻：

[1]鄧淑恒.工業機器人機械系統運動學及運動控制研究[J].山東工業技術，2019（03）：157.

[2]朱同波，朱光宇.工業機器人機械系統運動學及運動控制[J].機電產品開發與創新，2016，29（05）：15-17+58.