工业机器人机械系统运动学及运动控制研究

刘瑀　张超

摘 要：随着社会经济与科学技术的不断发展，人们的生产与生活过程逐渐迈入智能化，也为工业机器人的发展提供了巨大的潜力与空间。影响工业机器人机械系统运动学以及运动控制的因素有很多，分析其关键影响因素，并实施更为科学的解决方案，是当前工业机器人发展的重要思路。本文针对工业机器人机械系统运动学以及工业机器人机械系统运动控制进行初步分析与探讨，为相关从业人员提供参考。

关键词：工业机器人;机械系统;运动控制

0 引言

在工业生产过程中，工业机器人通常被称为工业机器手，而影响工业机器手实际工作效能的关键，在于各个关节的运动控制与机器人末端的位姿运动分析的有效结合。从系统功能角度出发，可将工业机器人划分为控制器、操作机、传感系统以及末端执行器四个部分，而对工业机器人进行运动学分析，其关键点在于对机器人加速度、速度以及位置的有效控制。除此之外，工业机器人的动力系统根据动力来源，可分为复合式驱动、电动驱动、启动驱动以及液压驱动四种。

1 工业机器人机械系统运动学

1.1 正向运动学

正向運动学的关键点在于工业机器人位姿以及运动学方程求解，例如，将a设定为平面关节型号机器人，而此类机器人的运动构件主要分为腕关节、肘关节与肩关节，这三者在轴线角度是相互平行关系;同时，又与机械手手部中心位置紧密相关。此时，根据正向运动学的相关理论知识，将d设定为连杆参数变量，而其他参数的总数设定为J，并且这些参数都是常量。在方程计算过程中，关节结构已经设定为平行轴线型，因此，其实际的连杆构件均位于相同平面体系中，依照这些已知内容，可以准确获得机器人的连杆参数。同时，将参数划分为转角变量、连杆距离、连杆长度、连杆扭角等，最终得出机械手的运动学方程为T=A1*A2*A3*...Ax，在方程中，A1为固定坐标系内的齐次变换矩阵，A2代表相对于A1的齐次变换矩阵，以此类推，并依照实际参数将具体的齐次变换矩阵表示出来，最终代入运动学方程中。

1.2 逆向运动学

DH法是当代工业机器人机械系统的逆向运动学的理论基础，其核心关键点在于，通过DH法完成运动学方程的建立与求解。在正向运动学的基础上，将所需要求解的运动参数，代入到位姿变换矩阵表达式中，并依照其他已知数据，最终求出逆向运动学方程。在逆向运动学方程的求解过程中，需要注意运动学模型的相符性质，在确定坐标系时，需要对坐标轴以及原点位置进行有效分析。

2 工业机器人机械系统运动控制

根据工业机器人机械系统运动控制的基本特点，可将其划分为位置与速度控制、力矩控制与轨迹控制，其中，力矩控制过程与位置与速度控制过程存在一定的相似性，而轨迹控制又受到前两者的影响。

2.1 位置与速度的控制

依照工业机器人的实际应用场景与技术本质，其机械系统的运动控制技术与行业领域内的自动化技术不存在本质区别，均是现代自动化与智能化工业生产过程的有机体现。但是，机械手的控制系统通常表现为多轴或单轴机器人对运动的有效协调，并精准控制机械手的实际位置与速度，与自动化控制技术相比，其位置与速度的精度要求更高。在实施工业机器人运动系统位置与速度的控制过程中，需要分别针对位置与速度的基本特性进行有效区分，其中，位置控制过程，其控制方式可以分为点位控制与连续控制。点位控制是指对每一个离散点末端的执行装置，进行姿态调控与位置调整，进而实现相邻两个离散点之间的有效运动。连续控制是是指机械手在运动过程中，需要具备轨迹平滑、速度可控其运动效果平稳的特点。机械手的速度控制需要在位置控制过程中同步实施，机械手的运动姿态以及行程，需要严格遵照与速度相对应的变化曲线关系。

2.2 力矩控制

工业机械手的实际做功过程，不仅要控制其运动速度与位置，也需要对其所能施加的力矩进行合理操控，而力矩的控制理念，与位置控制理念基本相同，而这两者之间，力矩控制是将位置控制的相关数据信号替换为力矩信号。当前，工业机器人均为连杆串接结构，而其自身所具备的运动特性，更是一直处于非线性状态，并且，实际的参数与变化状态高度集中。在机械手的位置控制过程，力矩的控制方法需要针对机械手的实际运动轨迹，在确定精准空间坐标以及位置信号的前提下，利用传感器，将机械手当前所处的位置信息及时传送，并利用速度传感器获取机械手关节速度，同步将这一数据传送至机器人关节系统中，并由传感器获取数据参数。机器人的关节传感器在获取到速度与位置传感器发送的信息后，需要对数据进行具体的分析与计算，最终根据机械手在特定位置所需要具备的基本速度，发出对应的力矩质量，实现机械手运动过程的有效控制。

2.3 轨迹跟踪控制

工业机器人的应用过程往往具备高度重复性，无论是执行喷涂，亦或是切割与焊接操作，均具备制定的轨迹，而轨迹跟踪控制的关键控制点在于误差的掌控，而提高跟踪轨迹的精度，更是行业研究人员所关注的重点。通常情况下，依照工业机器人机械系统运动学原理，可将轨迹跟踪控制工作交给迭代控制器来完成。机械控制系统在对机械手的运动轨迹进行跟踪过程中，会将误差数据进行反复学习，并将学习的结果传送至迭代控制器中，进而根据内部设定的程序，优化其轨迹行进过程。另外，实施轨迹跟踪控制过程中，迭代控制器也可以对机械手的各个构件进行有效跟踪，并依照各个关节的输入轨迹以及机械手的实际轨迹进行有效协调，随着迭代次数的不断增加，机械手各个关节的位置与轨迹误差将会不断减少，机械手的运动轨迹也将会更为合理，实际精度不断提高。

3 结束语

综上所述，工业机器人机械系统运动学方程范围正向运动学与逆向运动学两个层次，而机械手的控制过程，又分为位置与速度控制、力矩控制与轨迹控制，行业研究人员在优化工业机器人工作效能的过程中，需要基于以上几个基本因素，不断优化其运动过程，进而充分发挥工业机械人的智能化与自动化。

参考文献：

[1]邓淑恒.工业机器人机械系统运动学及运动控制研究[J].山东工业技术，2019（03）：157.

[2]朱同波，朱光宇.工业机器人机械系统运动学及运动控制[J].机电产品开发与创新，2016，29（05）：15-17+58.