智能制造中工業(yè)機(jī)械臂的精確控制技術(shù)研究

李雪婧

（襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，襄陽 441050）

智能制造時代，工業(yè)機(jī)械臂成為智慧工廠的核心部件，自動化、智能化浪潮推動工業(yè)機(jī)械臂迅速發(fā)展。初期的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡單，功能有限。智能制造要求工業(yè)機(jī)械臂能夠高精度、高效率完成工作，因此工業(yè)機(jī)械臂的精確控制技術(shù)成為研究重點。本研究深入探討工業(yè)機(jī)械臂精確控制技術(shù)，涵蓋基礎(chǔ)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制算法，旨在提升智能制造領(lǐng)域機(jī)械臂的性能，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1 工業(yè)機(jī)械臂的基本原理和結(jié)構(gòu)

工業(yè)機(jī)械臂作為智能制造領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，其基本原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)自動化和智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。機(jī)械臂的設(shè)計基于機(jī)械工程、電子工程和計算機(jī)科學(xué)的綜合應(yīng)用，通過一系列的關(guān)節(jié)和連桿組合實現(xiàn)復(fù)雜的空間動作。機(jī)械臂通常由基座、關(guān)節(jié)、連桿、執(zhí)行器、傳感器和控制系統(tǒng)等主要部分組成。基座是機(jī)械臂的支撐結(jié)構(gòu)，確保整個機(jī)械臂固定在工作位置。關(guān)節(jié)和連桿是構(gòu)成機(jī)械臂動態(tài)部分的核心，通過這些部件的組合，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)多方向和多角度的運動。這些關(guān)節(jié)可能是旋轉(zhuǎn)型或滑動型，通過電機(jī)、液壓或氣動系統(tǒng)驅(qū)動到達(dá)預(yù)定的位置[1]。

1.1 工業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是機(jī)械臂的“大腦”，基于預(yù)設(shè)程序或?qū)崟r反饋來控制機(jī)械臂的運動。控制系統(tǒng)通常包括一個或多個微處理器，通過各種軟件分析傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行運動控制算法。這些算法不僅需要處理機(jī)械臂的動態(tài)運動和路徑規(guī)劃，還需要實時響應(yīng)外界變化并調(diào)整機(jī)械臂的行動。

1.2 工業(yè)機(jī)械臂的動力學(xué)建模

工業(yè)機(jī)械臂的動力學(xué)建模是智能制造領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。動力學(xué)模型通過精確描述機(jī)械臂的運動和受力情況，為控制算法的設(shè)計和優(yōu)化提供基礎(chǔ)。在模型中，應(yīng)重點關(guān)注機(jī)械臂的動力學(xué)特性，考慮機(jī)械臂的質(zhì)量、慣性和外部作用力等因素。機(jī)械臂的每個連桿都被賦予特定的質(zhì)量和慣性矩陣，這些參數(shù)反映了機(jī)械臂各部分的物理特性，對于動力學(xué)分析至關(guān)重要。機(jī)械臂的動力學(xué)方程由質(zhì)量矩陣M、科里奧利力和離心力矩陣C以及外部作用力矢量Fe組成。其中，質(zhì)量矩陣描述了機(jī)械臂在動態(tài)運動中的慣性特性；科里奧利力和離心力矩陣考慮了機(jī)械臂運動中由于旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的附加力；外部作用力矢量包括重力、空氣阻力等。動力學(xué)方程可以表示為

式中：q˙˙為關(guān)節(jié)的加速度；q˙為關(guān)節(jié)的速度；q為關(guān)節(jié)的位置；τ為施加在關(guān)節(jié)上的扭矩。動力學(xué)方程使用各種轉(zhuǎn)換矩陣和雅可比矩陣來描述機(jī)械臂在不同坐標(biāo)系下的運動，為理解和控制工業(yè)機(jī)械臂的動態(tài)行為提供了一個全面的數(shù)學(xué)框架。

2 工業(yè)機(jī)械臂精確控制技術(shù)的重要性

工業(yè)機(jī)械臂精確控制技術(shù)在智能制造中扮演著核心角色，直接關(guān)系到生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。智能制造對機(jī)械臂的控制精度提出了更高要求，不僅體現(xiàn)在機(jī)械臂的定位精度上，還包括對其運動軌跡和速度的精確控制。精確控制技術(shù)對于提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要，在高速運動和復(fù)雜作業(yè)的環(huán)境下，機(jī)械臂必須能夠準(zhǔn)確快速地到達(dá)指定位置，并執(zhí)行所需操作，這要求控制系統(tǒng)具備高度的響應(yīng)能力和穩(wěn)定性。另外，精確控制技術(shù)對于保障產(chǎn)品質(zhì)量具有不可替代的作用[2]。在許多高精度制造過程中，如電子元件的焊接、精密部件的加工等，機(jī)械臂的微小偏差都可能導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷。因此，機(jī)械臂的控制系統(tǒng)需要精確計算和調(diào)整機(jī)械臂的每一個動作，以保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量[3]。

3 工業(yè)機(jī)械臂的精確控制算法設(shè)計

3.1 基于PID 控制的工業(yè)機(jī)械臂控制算法設(shè)計

工業(yè)機(jī)械臂的精確控制算法設(shè)計是智能制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。在眾多控制算法中，基于比例-積分-微 分（Proportion Integral Differential，PID）控制的算法因結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強而廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)。PID 控制算法的基本原理是通過計算設(shè)定值與實際值之間的差值（誤差），對誤差進(jìn)行比例、積分和微分處理，從而生成一個控制信號來驅(qū)動機(jī)械臂。比例項負(fù)責(zé)降低誤差的幅度，積分項負(fù)責(zé)消除穩(wěn)態(tài)誤差，微分項負(fù)責(zé)預(yù)測誤差的未來趨勢。PID 控制器的輸出可以表示為

式中：Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分的增益；t為時間量；e(t)為誤差信號。

3.2 采用自適應(yīng)控制技術(shù)提升工業(yè)機(jī)械臂控制精度

在工業(yè)機(jī)械臂的控制技術(shù)中，自適應(yīng)控制技術(shù)是提升控制精度的重要技術(shù)支撐。自適應(yīng)控制技術(shù)的核心在于能夠根據(jù)機(jī)械臂工作狀態(tài)和外部環(huán)境的變化自動調(diào)整控制策略。

自適應(yīng)控制技術(shù)的實施過程如下[4]。首先，進(jìn)行參數(shù)估計，這是自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)。使用遞歸最小二乘法（Recursive Least Squares，RLS）算法估計機(jī)械臂動力學(xué)模型中的參數(shù)，包括質(zhì)量矩陣、科里奧利力和離心力矩陣。基于這些數(shù)據(jù)，算法可以逐步調(diào)整參數(shù)估計值，更準(zhǔn)確地反映機(jī)械臂的實際動態(tài)行為。其次，根據(jù)參數(shù)估計的結(jié)果設(shè)計自適應(yīng)控制律，控制律表示為

再次，調(diào)整控制器參數(shù)。根據(jù)機(jī)械臂的控制效果，如位置誤差和跟蹤性能，調(diào)整比例增益Ke和微分增益Kd的數(shù)值[5]。該步驟可以通過自適應(yīng)規(guī)則或優(yōu)化算法來完成，以確保控制系統(tǒng)在各種工作條件下都能夠表現(xiàn)出良好的性能。

最后，實施反饋控制，將計算出的扭矩τ應(yīng)用到機(jī)械臂上，精準(zhǔn)控制運動。同時，持續(xù)監(jiān)測機(jī)械臂的實際運動狀態(tài)，并根據(jù)這些信息調(diào)整參數(shù)估計和控制律，確保控制系統(tǒng)能夠適應(yīng)環(huán)境變化和機(jī)械臂本身性能的變化。

4 相關(guān)實驗及結(jié)果分析

在本研究中，開展實驗驗證所設(shè)計控制算法的有效性和實用性，尤其是在提高機(jī)械臂操作精度和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境方面的能力。首先構(gòu)建一個典型的工業(yè)機(jī)械臂模型，并在控制系統(tǒng)中實施自適應(yīng)控制算法。機(jī)械臂被要求執(zhí)行一系列標(biāo)準(zhǔn)動作，移動到特定位置并跟蹤預(yù)定路徑。這些動作被設(shè)計為模擬工業(yè)生產(chǎn)中常見的操作任務(wù)，涵蓋了從簡單到復(fù)雜的不同難度級別。

為了評估控制算法的效果，收集機(jī)械臂跟蹤控制的數(shù)據(jù)，包括機(jī)械臂的位置誤差、運動軌跡的準(zhǔn)確度、響應(yīng)時間以及在執(zhí)行任務(wù)過程中的穩(wěn)定性。機(jī)械臂跟蹤控制軌跡仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 機(jī)械臂跟蹤控制軌跡仿真結(jié)果

實驗結(jié)果顯示，采用自適應(yīng)控制算法的工業(yè)機(jī)械臂在多數(shù)測試任務(wù)中表現(xiàn)出更高的控制精度。特別是在復(fù)雜任務(wù)和變化環(huán)境下，自適應(yīng)算法能夠更快地調(diào)整控制策略，以應(yīng)對不確定性因素。在執(zhí)行精細(xì)操作任務(wù)時，自適應(yīng)控制的機(jī)械臂展現(xiàn)出更小的位置誤差和更穩(wěn)定的運動軌跡。加入自適應(yīng)控制前后機(jī)械臂的響應(yīng)速度，如圖2 所示。其中，算法1 是利用傳統(tǒng)PID 控制器進(jìn)行機(jī)械臂控制，算法2 是在傳統(tǒng)PID 控制的基礎(chǔ)上增加自適應(yīng)反饋環(huán)節(jié)。對比算法1 和算法2 的響應(yīng)速度曲線可知，加入自適應(yīng)控制后機(jī)械臂的健壯性明顯增強，證明自適應(yīng)控制技術(shù)能夠有效提高工業(yè)機(jī)械臂的控制精度。通過不斷的技術(shù)優(yōu)化和算法迭代，預(yù)計未來這一技術(shù)將在智能制造領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

5 結(jié)語

本研究深入探討了工業(yè)機(jī)械臂在智能制造領(lǐng)域中的精確控制技術(shù)，通過分析機(jī)械臂的發(fā)展歷程、基本原理和結(jié)構(gòu)，明確了其在智能制造中的重要性。同時，重點研究PID 控制和人工智能算法在提高控制精度方面的應(yīng)用，特別是自適應(yīng)控制技術(shù)的有效性。通過實驗驗證，展示了自適應(yīng)控制算法在提升機(jī)械臂操作精度、適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境方面的優(yōu)勢。可見，本研究對于未來智能制造系統(tǒng)的優(yōu)化和發(fā)展具有重要意義。