工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)控制研究

劉瑀　張超

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生產(chǎn)與生活過程逐漸邁入智能化，也為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供了巨大的潛力與空間。影響工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)以及運(yùn)動(dòng)控制的因素有很多，分析其關(guān)鍵影響因素，并實(shí)施更為科學(xué)的解決方案，是當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的重要思路。本文針對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)以及工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行初步分析與探討，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;機(jī)械系統(tǒng);運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)機(jī)器人通常被稱為工業(yè)機(jī)器手，而影響工業(yè)機(jī)器手實(shí)際工作效能的關(guān)鍵，在于各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制與機(jī)器人末端的位姿運(yùn)動(dòng)分析的有效結(jié)合。從系統(tǒng)功能角度出發(fā)，可將工業(yè)機(jī)器人劃分為控制器、操作機(jī)、傳感系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器四個(gè)部分，而對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，其關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)機(jī)器人加速度、速度以及位置的有效控制。除此之外，工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)根據(jù)動(dòng)力來源，可分為復(fù)合式驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)以及液壓驅(qū)動(dòng)四種。

1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)

1.1 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)

正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)鍵點(diǎn)在于工業(yè)機(jī)器人位姿以及運(yùn)動(dòng)學(xué)方程求解，例如，將a設(shè)定為平面關(guān)節(jié)型號(hào)機(jī)器人，而此類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件主要分為腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)，這三者在軸線角度是相互平行關(guān)系;同時(shí)，又與機(jī)械手手部中心位置緊密相關(guān)。此時(shí)，根據(jù)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，將d設(shè)定為連桿參數(shù)變量，而其他參數(shù)的總數(shù)設(shè)定為J，并且這些參數(shù)都是常量。在方程計(jì)算過程中，關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)設(shè)定為平行軸線型，因此，其實(shí)際的連桿構(gòu)件均位于相同平面體系中，依照這些已知內(nèi)容，可以準(zhǔn)確獲得機(jī)器人的連桿參數(shù)。同時(shí)，將參數(shù)劃分為轉(zhuǎn)角變量、連桿距離、連桿長(zhǎng)度、連桿扭角等，最終得出機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為T=A1*A2*A3*...Ax，在方程中，A1為固定坐標(biāo)系內(nèi)的齊次變換矩陣，A2代表相對(duì)于A1的齊次變換矩陣，以此類推，并依照實(shí)際參數(shù)將具體的齊次變換矩陣表示出來，最終代入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中。

1.2 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)

DH法是當(dāng)代工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的理論基礎(chǔ)，其核心關(guān)鍵點(diǎn)在于，通過DH法完成運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立與求解。在正向運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上，將所需要求解的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，代入到位姿變換矩陣表達(dá)式中，并依照其他已知數(shù)據(jù)，最終求出逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。在逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解過程中，需要注意運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的相符性質(zhì)，在確定坐標(biāo)系時(shí)，需要對(duì)坐標(biāo)軸以及原點(diǎn)位置進(jìn)行有效分析。

2 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制

根據(jù)工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制的基本特點(diǎn)，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(yè)機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景與技術(shù)本質(zhì)，其機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)與行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的自動(dòng)化技術(shù)不存在本質(zhì)區(qū)別，均是現(xiàn)代自動(dòng)化與智能化工業(yè)生產(chǎn)過程的有機(jī)體現(xiàn)。但是，機(jī)械手的控制系統(tǒng)通常表現(xiàn)為多軸或單軸機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)的有效協(xié)調(diào)，并精準(zhǔn)控制機(jī)械手的實(shí)際位置與速度，與自動(dòng)化控制技術(shù)相比，其位置與速度的精度要求更高。在實(shí)施工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)位置與速度的控制過程中，需要分別針對(duì)位置與速度的基本特性進(jìn)行有效區(qū)分，其中，位置控制過程，其控制方式可以分為點(diǎn)位控制與連續(xù)控制。點(diǎn)位控制是指對(duì)每一個(gè)離散點(diǎn)末端的執(zhí)行裝置，進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控與位置調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)離散點(diǎn)之間的有效運(yùn)動(dòng)。連續(xù)控制是是指機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中，需要具備軌跡平滑、速度可控其運(yùn)動(dòng)效果平穩(wěn)的特點(diǎn)。機(jī)械手的速度控制需要在位置控制過程中同步實(shí)施，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及行程，需要嚴(yán)格遵照與速度相對(duì)應(yīng)的變化曲線關(guān)系。

2.2 力矩控制

工業(yè)機(jī)械手的實(shí)際做功過程，不僅要控制其運(yùn)動(dòng)速度與位置，也需要對(duì)其所能施加的力矩進(jìn)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(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)替換為力矩信號(hào)。當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人均為連桿串接結(jié)構(gòu)，而其自身所具備的運(yùn)動(dòng)特性，更是一直處于非線性狀態(tài)，并且，實(shí)際的參數(shù)與變化狀態(tài)高度集中。在機(jī)械手的位置控制過程，力矩的控制方法需要針對(duì)機(jī)械手的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，在確定精準(zhǔn)空間坐標(biāo)以及位置信號(hào)的前提下，利用傳感器，將機(jī)械手當(dāng)前所處的位置信息及時(shí)傳送，并利用速度傳感器獲取機(jī)械手關(guān)節(jié)速度，同步將這一數(shù)據(jù)傳送至機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)中，并由傳感器獲取數(shù)據(jù)參數(shù)。機(jī)器人的關(guān)節(jié)傳感器在獲取到速度與位置傳感器發(fā)送的信息后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行具體的分析與計(jì)算，最終根據(jù)機(jī)械手在特定位置所需要具備的基本速度，發(fā)出對(duì)應(yīng)的力矩質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程的有效控制。

2.3 軌跡跟蹤控制

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用過程往往具備高度重復(fù)性，無論是執(zhí)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(guān)鍵控制點(diǎn)在于誤差的掌控，而提高跟蹤軌跡的精度，更是行業(yè)研究人員所關(guān)注的重點(diǎn)。通常情況下，依照工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，可將軌跡跟蹤控制工作交給迭代控制器來完成。機(jī)械控制系統(tǒng)在對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤過程中，會(huì)將誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)學(xué)習(xí)，并將學(xué)習(xí)的結(jié)果傳送至迭代控制器中，進(jìn)而根據(jù)內(nèi)部設(shè)定的程序，優(yōu)化其軌跡行進(jìn)過程。另外，實(shí)施軌跡跟蹤控制過程中，迭代控制器也可以對(duì)機(jī)械手的各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行有效跟蹤，并依照各個(gè)關(guān)節(jié)的輸入軌跡以及機(jī)械手的實(shí)際軌跡進(jìn)行有效協(xié)調(diào)，隨著迭代次數(shù)的不斷增加，機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的位置與軌跡誤差將會(huì)不斷減少，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡也將會(huì)更為合理，實(shí)際精度不斷提高。

3 結(jié)束語

綜上所述，工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程范圍正向運(yùn)動(dòng)學(xué)與逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)層次，而機(jī)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(yè)研究人員在優(yōu)化工業(yè)機(jī)器人工作效能的過程中，需要基于以上幾個(gè)基本因素，不斷優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)過程，進(jìn)而充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)械人的智能化與自動(dòng)化。

參考文獻(xiàn)：

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