工業機器人機械系統運動學及運動控制研究

鄧淑恒

摘 要：隨著社會經濟與科學技術的不斷發展，各行各業都在向著智能化、機械化方向發展，為工業機器人提供了巨大的發展空間，而工業機器人的運動學和運動控制涉及面非常大。本文首先從正向運動學和逆向運動學分析了工業機器人機械系統的運動學，其次，從位置與速度控制、力矩控制、軌跡跟蹤控制等方面，論述了工業機器人機械系統的運動控制。

關鍵詞：工業機器人機械系統;運動學;運動控制

0 前言

工業機器人也被稱為工業機械手。一般情況下，工業機械手有六個自由度。從功能上劃分，將工業機械手分為控制器、操作機、傳感系統以及末端執行器等4個重要部分。工業機器人運動學主要分析機器人的加速度、速度以及位置等變化的時間歷程，主要應用于裝備制造業中，同時其驅動系統可分為復合式驅動、電動驅動、啟動驅動、液壓驅動等。

1 工業機器人機械系統運動學

1.1 正向運動學

正向運動是指解決機械手部位姿勢和運動學方程求解等相關問題。例如：a設機器人為平面關節型號，這類機器人通常情況下具有一個腕關節、肘關節和肩關節。這三個關節的軸線呈現方式是相互平行的，這三個關節與手部中心是緊密關聯的。同時設d為連桿參數變量，其余的參數有J個且都為常量。已知關節是平行軸線結構，其連桿都處于平面中，可以列出這一類機器人連桿的參數。其參數分為轉角θ、兩個連桿之間的距離、連桿長度、連桿扭角等。利用這些參數可以得出機器人相關的運動學方程，為Tx=A1·A2···Ax。其中A1代表的是固定坐標系中相對應的齊次變換矩陣，A2代表的是相對于A1的矩陣齊次變換，A3代表的是相對于A2的變換齊次矩陣，以此類推。根據參數可以將三個矩陣表達出來。即A1=Rot（z0，θ1）Trans（l1，0，0）;其余的與A1的形式一致，只需將下標分別加1即可。將三個矩陣的表達式代入運動學方程中，在θ1、θ2···θx（轉角變量）給定的情況下，利用三角函數的關系，便可以求出運動學方程Tx。

1.2 逆向運動學

工業機械手中機械系統的逆向運動學主要是基于DH法，由于是通過DH法建立的運動學方程，因此，可以得到坐標系與坐標系的變換矩陣，即，其中l代表的是關節軸;代表的是各個關節軸的轉角;、、代表的是機械手處于零位點時，DH參數值 。而位姿變換矩陣的表達式為，將變換矩陣代入后，便可求解出逆向運動學方程。在此過程中，為了建立與工業機械手控制系統相符的運動學模型，在建立坐標系過程中，還需對基坐標系各軸方向和原點位置與末端坐標系各軸方向與原點位置進行分析。前者主要是指根據機械手在零位時，利用示教器上各連桿尺寸和末端位置讀數確定x、y、z軸方向和原點的位置，相應的后者與前者確定原理一致。此外還需注意，DH法建立中間坐標系時，z軸方向為正方向，以右手法則為準，z軸正方向與機械手各軸轉向應相符。

2 工業機器人機械系統運動控制

2.1 位置與速度控制

對于工業機器人中的機械系統來說，運動控制技術與以往所用的自動控制技術相比，并沒有實質上的區別。但是機械手中的控制系統一般情況下是以多軸或者是單軸機器人對運動進行協調控制，其位置與速度控制要求更加精確。機器人位置與速度控制方式主要是指：首先，對于位置控制來說，有兩種方式，其一為點位控制。這種控制方法是對各個離散點末端的執行裝置位置姿態進行控制，從而有效地控制相鄰兩點之間的運動。其二為連續控制。這種控制方式是對工業機械手末端的各種執行裝置位移姿態進行控制，要求機械手運動平穩、軌跡光滑、速度可控。對于速度控制來說，在控制機械手位置的同時，進行速度控制。為了實現這種控制措施，制定機器人行程過程中，需要嚴格遵循與速度相關的變化曲線。

2.2 力矩控制

在工業機械手實際工作過程中，力矩控制方式與機械手的位置控制原理大致相同，不同之處為力矩控制將位置控制的信號利用力矩信號代替了。對于工業機器人來說，其結構都為連桿串接結構，機械系統的動態特性始終處于高度集中的非線性狀態。由于在進行位置控制過程中，需要實現機械手各關節預先設計的運動，這樣才能精準控制手爪的運動軌跡。然而在設計控制系統過程中，每個關節都是一個相對獨立的伺服構造，在關節坐標系中輸入位置信號，才能控制位置。局限性較大。而力矩控制方法為：首先，利用位置傳感器將機械手的位置探測出來，其次利用速度傳感器檢測關節速度，通過反饋機制將信息傳遞到關節傳感器中。最后，關節傳感器在獲得相關的反饋信息之后，會對信息進行分析、計算，計算出機械手運動時的力矩，隨后發出正確的力矩指令，從而達到控制機械手運動的目的。

2.3 軌跡跟蹤控制

在工業機器人的應用過程中，機械手所執行的噴涂、切割以及焊接等任務通常是重復性的。利用軌跡跟蹤誤差，提高跟蹤軌跡的精度，一直是人們比較關注的問題。工業機械手中機械系統軌跡跟蹤控制是基于迭代控制器來實現的。控制系統在對機械手進行軌跡跟蹤過程中，其內部誤差數據有很多動力學特征數據。通過對往復作業任務中的跟蹤誤差數據進行學習，將學習到的數據進行疊加，并輸入到迭代控制器中。此外，在進行軌跡跟蹤控制過程中，迭代控制器還可以在完全重力補償情況下對機械手各個關節的軌跡進行良好跟蹤。此時各個關節輸入的軌跡與控制系統跟蹤的實際軌跡相互重合，而各關節平均位置誤差與最大位置誤差也會隨著自適應迭代次數不斷增加而逐漸減小，促使軌跡跟蹤控制精度更加準確。

3 結論

綜上所述，工業機械手的機械系統設計，極大的滿足了工業閉環系統中性能指標的需求。經過上文分析可知，機械手運動學方程分為正逆向兩種方向，根據各項參數變化求解其方程表達式。同時機械手的控制系統是通過對其位置、速度和軌跡進行有效控制來實現具體功能的。

參考文獻：

[1]王平.六自由度工業機器人軌跡跟蹤控制研究[D].長春工業大學，2018.

[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.