鄧淑恒

摘 要：隨著社會經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都在向著智能化、機(jī)械化方向發(fā)展，為工業(yè)機(jī)器人提供了巨大的發(fā)展空間，而工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和運(yùn)動控制涉及面非常大。本文首先從正向運(yùn)動學(xué)和逆向運(yùn)動學(xué)分析了工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)，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(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動控制。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng);運(yùn)動學(xué);運(yùn)動控制

0 前言

工業(yè)機(jī)器人也被稱為工業(yè)機(jī)械手。一般情況下，工業(yè)機(jī)械手有六個(gè)自由度。從功能上劃分，將工業(yè)機(jī)械手分為控制器、操作機(jī)、傳感系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器等4個(gè)重要部分。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)主要分析機(jī)器人的加速度、速度以及位置等變化的時(shí)間歷程，主要應(yīng)用于裝備制造業(yè)中，同時(shí)其驅(qū)動系統(tǒng)可分為復(fù)合式驅(qū)動、電動驅(qū)動、啟動驅(qū)動、液壓驅(qū)動等。

1 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)

1.1 正向運(yùn)動學(xué)

正向運(yùn)動是指解決機(jī)械手部位姿勢和運(yùn)動學(xué)方程求解等相關(guān)問題。例如：a設(shè)機(jī)器人為平面關(guān)節(jié)型號，這類機(jī)器人通常情況下具有一個(gè)腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。這三個(gè)關(guān)節(jié)的軸線呈現(xiàn)方式是相互平行的，這三個(gè)關(guān)節(jié)與手部中心是緊密關(guān)聯(lián)的。同時(shí)設(shè)d為連桿參數(shù)變量，其余的參數(shù)有J個(gè)且都為常量。已知關(guān)節(jié)是平行軸線結(jié)構(gòu)，其連桿都處于平面中，可以列出這一類機(jī)器人連桿的參數(shù)。其參數(shù)分為轉(zhuǎn)角θ、兩個(gè)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(jī)器人相關(guān)的運(yùn)動學(xué)方程，為Tx=A1·A2···Ax。其中A1代表的是固定坐標(biāo)系中相對應(yīng)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(gè)矩陣表達(dá)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(biāo)分別加1即可。將三個(gè)矩陣的表達(dá)式代入運(yùn)動學(xué)方程中，在θ1、θ2···θx（轉(zhuǎn)角變量）給定的情況下，利用三角函數(shù)的關(guān)系，便可以求出運(yùn)動學(xué)方程Tx。

1.2 逆向運(yùn)動學(xué)

工業(yè)機(jī)械手中機(jī)械系統(tǒng)的逆向運(yùn)動學(xué)主要是基于DH法，由于是通過DH法建立的運(yùn)動學(xué)方程，因此，可以得到坐標(biāo)系與坐標(biāo)系的變換矩陣，即，其中l(wèi)代表的是關(guān)節(jié)軸;代表的是各個(gè)關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角;、、代表的是機(jī)械手處于零位點(diǎn)時(shí)，DH參數(shù)值 。而位姿變換矩陣的表達(dá)式為，將變換矩陣代入后，便可求解出逆向運(yùn)動學(xué)方程。在此過程中，為了建立與工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)相符的運(yùn)動學(xué)模型，在建立坐標(biāo)系過程中，還需對基坐標(biāo)系各軸方向和原點(diǎn)位置與末端坐標(biāo)系各軸方向與原點(diǎn)位置進(jìn)行分析。前者主要是指根據(jù)機(jī)械手在零位時(shí)，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(diǎn)的位置，相應(yīng)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(biāo)系時(shí)，z軸方向?yàn)檎较颍杂沂址▌t為準(zhǔn)，z軸正方向與機(jī)械手各軸轉(zhuǎn)向應(yīng)相符。

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

2.1 位置與速度控制

對于工業(yè)機(jī)器人中的機(jī)械系統(tǒng)來說，運(yùn)動控制技術(shù)與以往所用的自動控制技術(shù)相比，并沒有實(shí)質(zhì)上的區(qū)別。但是機(jī)械手中的控制系統(tǒng)一般情況下是以多軸或者是單軸機(jī)器人對運(yùn)動進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，其位置與速度控制要求更加精確。機(jī)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(diǎn)位控制。這種控制方法是對各個(gè)離散點(diǎn)末端的執(zhí)行裝置位置姿態(tài)進(jìn)行控制，從而有效地控制相鄰兩點(diǎn)之間的運(yùn)動。其二為連續(xù)控制。這種控制方式是對工業(yè)機(jī)械手末端的各種執(zhí)行裝置位移姿態(tài)進(jìn)行控制，要求機(jī)械手運(yùn)動平穩(wěn)、軌跡光滑、速度可控。對于速度控制來說，在控制機(jī)械手位置的同時(shí)，進(jìn)行速度控制。為了實(shí)現(xiàn)這種控制措施，制定機(jī)器人行程過程中，需要嚴(yán)格遵循與速度相關(guān)的變化曲線。

2.2 力矩控制

在工業(yè)機(jī)械手實(shí)際工作過程中，力矩控制方式與機(jī)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(jī)器人來說，其結(jié)構(gòu)都為連桿串接結(jié)構(gòu)，機(jī)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(jìn)行位置控制過程中，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各關(guān)節(jié)預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)動，這樣才能精準(zhǔn)控制手爪的運(yùn)動軌跡。然而在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)過程中，每個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)相對獨(dú)立的伺服構(gòu)造，在關(guān)節(jié)坐標(biāo)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(jī)械手的位置探測出來，其次利用速度傳感器檢測關(guān)節(jié)速度，通過反饋機(jī)制將信息傳遞到關(guān)節(jié)傳感器中。最后，關(guān)節(jié)傳感器在獲得相關(guān)的反饋信息之后，會對信息進(jìn)行分析、計(jì)算，計(jì)算出機(jī)械手運(yùn)動時(shí)的力矩，隨后發(fā)出正確的力矩指令，從而達(dá)到控制機(jī)械手運(yùn)動的目的。

2.3 軌跡跟蹤控制

在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用過程中，機(jī)械手所執(zhí)行的噴涂、切割以及焊接等任務(wù)通常是重復(fù)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(guān)注的問題。工業(yè)機(jī)械手中機(jī)械系統(tǒng)軌跡跟蹤控制是基于迭代控制器來實(shí)現(xiàn)的。控制系統(tǒng)在對機(jī)械手進(jìn)行軌跡跟蹤過程中，其內(nèi)部誤差數(shù)據(jù)有很多動力學(xué)特征數(shù)據(jù)。通過對往復(fù)作業(yè)任務(wù)中的跟蹤誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，將學(xué)習(xí)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，并輸入到迭代控制器中。此外，在進(jìn)行軌跡跟蹤控制過程中，迭代控制器還可以在完全重力補(bǔ)償情況下對機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的軌跡進(jìn)行良好跟蹤。此時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)輸入的軌跡與控制系統(tǒng)跟蹤的實(shí)際軌跡相互重合，而各關(guān)節(jié)平均位置誤差與最大位置誤差也會隨著自適應(yīng)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(zhǔn)確。

3 結(jié)論

綜上所述，工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，極大的滿足了工業(yè)閉環(huán)系統(tǒng)中性能指標(biāo)的需求。經(jīng)過上文分析可知，機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程分為正逆向兩種方向，根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)變化求解其方程表達(dá)式。同時(shí)機(jī)械手的控制系統(tǒng)是通過對其位置、速度和軌跡進(jìn)行有效控制來實(shí)現(xiàn)具體功能的。

參考文獻(xiàn)：

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

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