邓淑恒

摘 要：随着社会经济与科学技术的不断发展，各行各业都在向着智能化、机械化方向发展，为工业机器人提供了巨大的发展空间，而工业机器人的运动学和运动控制涉及面非常大。本文首先从正向运动学和逆向运动学分析了工业机器人机械系统的运动学，其次，从位置与速度控制、力矩控制、轨迹跟踪控制等方面，论述了工业机器人机械系统的运动控制。

关键词：工业机器人机械系统;运动学;运动控制

0 前言

工业机器人也被称为工业机械手。一般情况下，工业机械手有六个自由度。从功能上划分，将工业机械手分为控制器、操作机、传感系统以及末端执行器等4个重要部分。工业机器人运动学主要分析机器人的加速度、速度以及位置等变化的时间历程，主要应用于装备制造业中，同时其驱动系统可分为复合式驱动、电动驱动、启动驱动、液压驱动等。

1 工业机器人机械系统运动学

1.1 正向运动学

正向运动是指解决机械手部位姿势和运动学方程求解等相关问题。例如：a设机器人为平面关节型号，这类机器人通常情况下具有一个腕关节、肘关节和肩关节。这三个关节的轴线呈现方式是相互平行的，这三个关节与手部中心是紧密关联的。同时设d为连杆参数变量，其余的参数有J个且都为常量。已知关节是平行轴线结构，其连杆都处于平面中，可以列出这一类机器人连杆的参数。其参数分为转角θ、两个连杆之间的距离、连杆长度、连杆扭角等。利用这些参数可以得出机器人相关的运动学方程，为Tx=A1·A2···Ax。其中A1代表的是固定坐標系中相对应的齐次变换矩阵，A2代表的是相对于A1的矩阵齐次变换，A3代表的是相对于A2的变换齐次矩阵，以此类推。根据参数可以将三个矩阵表达出来。即A1=Rot（z0，θ1）Trans（l1，0，0）;其余的与A1的形式一致，只需将下标分别加1即可。将三个矩阵的表达式代入运动学方程中，在θ1、θ2···θx（转角变量）给定的情况下，利用三角函数的关系，便可以求出运动学方程Tx。

1.2 逆向运动学

工业机械手中机械系统的逆向运动学主要是基于DH法，由于是通过DH法建立的运动学方程，因此，可以得到坐标系与坐标系的变换矩阵，即，其中l代表的是关节轴;代表的是各个关节轴的转角;、、代表的是机械手处于零位点时，DH参数值 。而位姿变换矩阵的表达式为，将变换矩阵代入后，便可求解出逆向运动学方程。在此过程中，为了建立与工业机械手控制系统相符的运动学模型，在建立坐标系过程中，还需对基坐标系各轴方向和原点位置与末端坐标系各轴方向与原点位置进行分析。前者主要是指根据机械手在零位时，利用示教器上各连杆尺寸和末端位置读数确定x、y、z轴方向和原点的位置，相应的后者与前者确定原理一致。此外还需注意，DH法建立中间坐标系时，z轴方向为正方向，以右手法则为准，z轴正方向与机械手各轴转向应相符。

2 工业机器人机械系统运动控制

2.1 位置与速度控制

对于工业机器人中的机械系统来说，运动控制技术与以往所用的自动控制技术相比，并没有实质上的区别。但是机械手中的控制系统一般情况下是以多轴或者是单轴机器人对运动进行协调控制，其位置与速度控制要求更加精确。机器人位置与速度控制方式主要是指：首先，对于位置控制来说，有两种方式，其一为点位控制。这种控制方法是对各个离散点末端的执行装置位置姿态进行控制，从而有效地控制相邻两点之间的运动。其二为连续控制。这种控制方式是对工业机械手末端的各种执行装置位移姿态进行控制，要求机械手运动平稳、轨迹光滑、速度可控。对于速度控制来说，在控制机械手位置的同时，进行速度控制。为了实现这种控制措施，制定机器人行程过程中，需要严格遵循与速度相关的变化曲线。

2.2 力矩控制

在工业机械手实际工作过程中，力矩控制方式与机械手的位置控制原理大致相同，不同之处为力矩控制将位置控制的信号利用力矩信号代替了。对于工业机器人来说，其结构都为连杆串接结构，机械系统的动态特性始终处于高度集中的非线性状态。由于在进行位置控制过程中，需要实现机械手各关节预先设计的运动，这样才能精准控制手爪的运动轨迹。然而在设计控制系统过程中，每个关节都是一个相对独立的伺服构造，在关节坐标系中输入位置信号，才能控制位置。局限性较大。而力矩控制方法为：首先，利用位置传感器将机械手的位置探测出来，其次利用速度传感器检测关节速度，通过反馈机制将信息传递到关节传感器中。最后，关节传感器在获得相关的反馈信息之后，会对信息进行分析、计算，计算出机械手运动时的力矩，随后发出正确的力矩指令，从而达到控制机械手运动的目的。

2.3 轨迹跟踪控制

在工业机器人的应用过程中，机械手所执行的喷涂、切割以及焊接等任务通常是重复性的。利用轨迹跟踪误差，提高跟踪轨迹的精度，一直是人们比较关注的问题。工业机械手中机械系统轨迹跟踪控制是基于迭代控制器来实现的。控制系统在对机械手进行轨迹跟踪过程中，其内部误差数据有很多动力学特征数据。通过对往复作业任务中的跟踪误差数据进行学习，将学习到的数据进行叠加，并输入到迭代控制器中。此外，在进行轨迹跟踪控制过程中，迭代控制器还可以在完全重力补偿情况下对机械手各个关节的轨迹进行良好跟踪。此时各个关节输入的轨迹与控制系统跟踪的实际轨迹相互重合，而各关节平均位置误差与最大位置误差也会随着自适应迭代次数不断增加而逐渐减小，促使轨迹跟踪控制精度更加准确。

3 结论

综上所述，工业机械手的机械系统设计，极大的满足了工业闭环系统中性能指标的需求。经过上文分析可知，机械手运动学方程分为正逆向两种方向，根据各项参数变化求解其方程表达式。同时机械手的控制系统是通过对其位置、速度和轨迹进行有效控制来实现具体功能的。

参考文献：

[1]王平.六自由度工业机器人轨迹跟踪控制研究[D].长春工业大学，2018.

[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.