鄧淑恒

摘 要：隨著社會經(jīng)濟與科學技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都在向著智能化、機械化方向發(fā)展，為工業(yè)機器人提供了巨大的發(fā)展空間，而工業(yè)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(yè)機器人機械系統(tǒng)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(yè)機器人機械系統(tǒng)的運動控制。

關鍵詞：工業(yè)機器人機械系統(tǒng);運動學;運動控制

0 前言

工業(yè)機器人也被稱為工業(yè)機械手。一般情況下，工業(yè)機械手有六個自由度。從功能上劃分，將工業(yè)機械手分為控制器、操作機、傳感系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器等4個重要部分。工業(yè)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(yè)中，同時其驅動系統(tǒng)可分為復合式驅動、電動驅動、啟動驅動、液壓驅動等。

1 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)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(jié)型號，這類機器人通常情況下具有一個腕關節(jié)、肘關節(jié)和肩關節(jié)。這三個關節(jié)的軸線呈現(xiàn)方式是相互平行的，這三個關節(jié)與手部中心是緊密關聯(lián)的。同時設d為連桿參數(shù)變量，其余的參數(shù)有J個且都為常量。已知關節(jié)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(shù)。其參數(shù)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(shù)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(jù)參數(shù)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(shù)的關系，便可以求出運動學方程Tx。

1.2 逆向運動學

工業(yè)機械手中機械系統(tǒng)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(wèi)代表的是關節(jié)軸;代表的是各個關節(jié)軸的轉角;、、代表的是機械手處于零位點時，DH參數(shù)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(yè)機械手控制系統(tǒng)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(jù)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(shù)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(yè)機器人機械系統(tǒng)運動控制

2.1 位置與速度控制

對于工業(yè)機器人中的機械系統(tǒng)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(qū)別。但是機械手中的控制系統(tǒng)一般情況下是以多軸或者是單軸機器人對運動進行協(xié)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(zhí)行裝置位置姿態(tài)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(xù)控制。這種控制方式是對工業(yè)機械手末端的各種執(zhí)行裝置位移姿態(tài)進行控制，要求機械手運動平穩(wěn)、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(xiàn)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(yè)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(yè)機器人來說，其結構都為連桿串接結構，機械系統(tǒng)的動態(tài)特性始終處于高度集中的非線性狀態(tài)。由于在進行位置控制過程中，需要實現(xiàn)機械手各關節(jié)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(tǒng)過程中，每個關節(jié)都是一個相對獨立的伺服構造，在關節(jié)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(jié)速度，通過反饋機制將信息傳遞到關節(jié)傳感器中。最后，關節(jié)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(fā)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(yè)機器人的應用過程中，機械手所執(zhí)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(yè)機械手中機械系統(tǒng)軌跡跟蹤控制是基于迭代控制器來實現(xiàn)的?？刂葡到y(tǒng)在對機械手進行軌跡跟蹤過程中，其內部誤差數(shù)據(jù)有很多動力學特征數(shù)據(jù)。通過對往復作業(yè)任務中的跟蹤誤差數(shù)據(jù)進行學習，將學習到的數(shù)據(jù)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(jié)的軌跡進行良好跟蹤。此時各個關節(jié)輸入的軌跡與控制系統(tǒng)跟蹤的實際軌跡相互重合，而各關節(jié)平均位置誤差與最大位置誤差也會隨著自適應迭代次數(shù)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(yè)機械手的機械系統(tǒng)設計，極大的滿足了工業(yè)閉環(huán)系統(tǒng)中性能指標的需求。經(jīng)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(jù)各項參數(shù)變化求解其方程表達式。同時機械手的控制系統(tǒng)是通過對其位置、速度和軌跡進行有效控制來實現(xiàn)具體功能的。

參考文獻：

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

[2]朱同波，朱光宇.工業(yè)機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，29（05）：15-17+58.