工業(yè)機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制研究

劉瑀　張超

摘 要：隨著社會經(jīng)濟與科學技術的不斷發(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)機器人的發(fā)展提供了巨大的潛力與空間。影響工業(yè)機器人機械系統(tǒng)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(yè)機器人發(fā)展的重要思路。本文針對工業(yè)機器人機械系統(tǒng)運動學以及工業(yè)機器人機械系統(tǒng)運動控制進行初步分析與探討，為相關從業(yè)人員提供參考。

關鍵詞：工業(yè)機器人;機械系統(tǒng);運動控制

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，工業(yè)機器人通常被稱為工業(yè)機器手，而影響工業(yè)機器手實際工作效能的關鍵，在于各個關節(jié)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(tǒng)功能角度出發(fā)，可將工業(yè)機器人劃分為控制器、操作機、傳感系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器四個部分，而對工業(yè)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(yè)機器人的動力系統(tǒng)根據(jù)動力來源，可分為復合式驅(qū)動、電動驅(qū)動、啟動驅(qū)動以及液壓驅(qū)動四種。

1 工業(yè)機器人機械系統(tǒng)運動學

1.1 正向運動學

正向運動學的關鍵點在于工業(yè)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(jié)型號機器人，而此類機器人的運動構件主要分為腕關節(jié)、肘關節(jié)與肩關節(jié)，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(jù)正向運動學的相關理論知識，將d設定為連桿參數(shù)變量，而其他參數(shù)的總數(shù)設定為J，并且這些參數(shù)都是常量。在方程計算過程中，關節(jié)結構已經(jīng)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(nèi)容，可以準確獲得機器人的連桿參數(shù)。同時，將參數(shù)劃分為轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)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(yè)機器人機械系統(tǒng)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(shù)，代入到位姿變換矩陣表達式中，并依照其他已知數(shù)據(jù)，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(zhì)，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(yè)機器人機械系統(tǒng)運動控制

根據(jù)工業(yè)機器人機械系統(tǒng)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(yè)機器人的實際應用場景與技術本質(zhì)，其機械系統(tǒng)的運動控制技術與行業(yè)領域內(nèi)的自動化技術不存在本質(zhì)區(qū)別，均是現(xiàn)代自動化與智能化工業(yè)生產(chǎn)過程的有機體現(xiàn)。但是，機械手的控制系統(tǒng)通常表現(xiàn)為多軸或單軸機器人對運動的有效協(xié)調(diào)，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(yè)機器人運動系統(tǒng)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(qū)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(xù)控制。點位控制是指對每一個離散點末端的執(zhí)行裝置，進行姿態(tài)調(diào)控與位置調(diào)整，進而實現(xiàn)相鄰兩個離散點之間的有效運動。連續(xù)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(wěn)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(tài)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(yè)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(shù)據(jù)信號替換為力矩信號。當前，工業(yè)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(tài)，并且，實際的參數(shù)與變化狀態(tài)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(jié)速度，同步將這一數(shù)據(jù)傳送至機器人關節(jié)系統(tǒng)中，并由傳感器獲取數(shù)據(jù)參數(shù)。機器人的關節(jié)傳感器在獲取到速度與位置傳感器發(fā)送的信息后，需要對數(shù)據(jù)進行具體的分析與計算，最終根據(jù)機械手在特定位置所需要具備的基本速度，發(fā)出對應的力矩質(zhì)量，實現(xiàn)機械手運動過程的有效控制。

2.3 軌跡跟蹤控制

工業(yè)機器人的應用過程往往具備高度重復性，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(yè)研究人員所關注的重點。通常情況下，依照工業(yè)機器人機械系統(tǒng)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(tǒng)在對機械手的運動軌跡進行跟蹤過程中，會將誤差數(shù)據(jù)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(jù)內(nèi)部設定的程序，優(yōu)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(jié)的輸入軌跡以及機械手的實際軌跡進行有效協(xié)調(diào)，隨著迭代次數(shù)的不斷增加，機械手各個關節(jié)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(yè)機器人機械系統(tǒng)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(yè)研究人員在優(yōu)化工業(yè)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(yōu)化其運動過程，進而充分發(fā)揮工業(yè)機械人的智能化與自動化。

參考文獻：

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