工业机器人机械系统运动学及运动控制研究

工业机器人机械系统运动学及运动控制研究

发表时间：2020-03-19T02:12:32.359Z 来源：《科技新时代》2019年12期作者：马艳飞刘长军

[导读] 机器人运动学的分布步骤及内容包括：第一，机器人连杆参数及其D-H坐标变换；第二，机器人运动学方程；第三，机器人逆运动学。

沈阳工业大学辽宁沈阳 111000

摘要：为了有效促进工业机器人运动控制系统的优化和改进，以期为机器人的的智能化、自动化发展提供技术支撑，本文针对工业机器人机械系统运动学及运动控制进行了研究。首先，对机器人的构成及工作原理。其次，研究了工业机器人机械系统运动学。最后，研究了工业机器人机械系统运动控制策略。

关键词：工业机器人；机械系统运动学；运动控制

虽然我国对工业机器人的研究在不断进步，但是与其它发达国家相比仍比较落后。尤其是我国还未掌握更多的核心技术。对此，国家也出台了一系列的政策、措施支持我国工业机器人的研究。就2019年来说，人本轴承助力2019中国机器人产业发展大会、2019人工智能产业共同体青岛会议等会议的召开就预示着我国工业机器人的研究也在不断深入。而工业机械运动学及运动控制属于研究工业机器人的核心内容。所以，为了推动我国工业机器人行业的发展，研究人员还需继续研究工业机械运动学及运动控制。本文重点对工业机器人机械运动学及其控制策略再次进行了剖析，并就其应用进行了阐述。

一、机器人构成及其工作原理

具体来说，工业机器人分为操作机、末端执行器、传感系统、控制器四个部分。其中操作机的主要功能是控制手腕工作范围，使末端执行器执行相关操作。末端执行器的主要功能就是执行具体任务。传感器系统的主要功能是利用视觉、触觉等传感器感知外界境况，并完成指定任务。一般情况下，工业机器人所用传感器的精度非常高。控制器的主要作用是进行系统控制。

另外，若是从动力源角度入手，还可将工业机器人驱动系统分为液压驱动、气动驱动、电动驱动、复合式驱动等系统。在具体选择中，技术人员需从作业环境、控制功能、功耗等方面入手，选择性价比比较高的应用系统。只有这样才能保障驱动系统的使用性能。

二、工业机器人机械运动学

1.机器人运动学分析步骤及内容

机器人运动学的分布步骤及内容包括：第一，机器人连杆参数及其D-H坐标变换；第二，机器人运动学方程；第三，机器人逆运动学。

首先，机器人连杆参数及其D-H坐标变换。其中连杆参数主要包括尺寸参数、相邻连杆的关系参数及关节变量。尺寸参数还可分为连杆长度、连杆扭角。连杆长度是指两个顺次关节轴线沿共垂线的距离，连杆扭角是指两个顺次关节轴线的夹角；关系参数还可分为连杆偏置、关节转角，连杆偏置是指沿某一关节轴线方向，两个共垂线之间的距离。关节转角是指的在垂直于关节轴线的平面内的两个共垂线的夹角；关节变量包括旋转关节变量、移动关节变量。旋转关节的变量是关节转角，同时连杆长度、连杆扭角、连杆偏置是固定的。在移动关节中，连杆偏置是关节变量，连杆长度、连杆扭角、关节转角则是固定的。另外，若想实现D-H坐标变换，就要先建立移动连杆坐标系，然后结合移动连杆参数，就可以确定连杆i相对于i-1的位姿，即D-H坐标变换矩阵。通常情况下，依据关节转角θ、连杆长度a、连杆扭角α、连杆偏置d的顺序以此进行变换。在这一过程中需要注意虽然移动连杆坐标系的建立是以连杆偏置变量为基础的，而旋转坐标系的建立是以关节变量为基础的，但是移动连杆的D-H变换矩阵求解方法与转动连杆坐标系求解方法相同。

其次，运动学方程。以由手爪相对于基座的两种位姿表示得来的运动学方程为例，其基本表现形式为右边则是连杆矩阵的乘积。可以说，这是作为典型的方程表示方法。

最后，机器人逆运动学。工业机器人机械运动学中的逆向运动学是以DH法为基础的，主要是在已知机器人手位姿的情况下，计算所有连杆长度和关节角度。简单的说，是进行运动学的逆解。所以，要利用坐标系的变换矩阵进行逆向运动方程的求解。但是在这一过程中，还需对基坐标系进行分析，建立与机械手控制系统响应的运动学模型，并选择合适的求解方法。常见解法有封闭解法、数值解法。其中封

闭解法是指在已知终端位姿的情况下，求解出每个关节变量的数学函数表达式。这种解法具有计算速度快、计算效率高、方便控制等优点，但是具有不容易求解的缺点。而数值解法是指应用递推算法确定关节变量数值，具有求解结果精确的优点。在具体应用中设计人员需结合实际情况灵活选择。另外，需要注意的是关节数目、连杆参数、关节变量的活动范围越大，机械运动学的逆解数目就越多，最多能达到16个。

2.正向运动学

正向运动是相对于逆向运用学而言的，主要是指在已知所有连杆长度和关节角度，计算机器人手的位姿。以平面关节型号的机器人为例，这种机器人包括肩关节、肘关节、腕关节。具体来说，这三个关节的轴线是平行的，且其中心与手部中心具有非常紧密的联系。若是假设其连杆参数变量为d，其它参数都为常数，且关节属于平行轴线结构、连杆也在平面内。那么就可列出连杆长度、连杆扭角、连杆间距等参数，然后以此为基础就可列出相关运动学方程。接下来，就可以运用矩阵、三角函数求解运动方程。

三、工业机器人机械系统运动控制

工业机器人机械系统运动控制特点主要包括：第一，更加注重机器人本体、操作对象的精确位置关系。第二，与运动学、动力学的联系非常紧密。第三，工业机器人的每一个关节都有伺服机构，且相互独立的伺服系统可以有效组合在一起形成完整的多变量控制系统。第四，用来描述工业机器人状态、运动的数学模型是非线性的，且参数会随着状态的变化而变化。也正因为如此，工业机器人的位置、速度及加速度等都是应用闭环控制系统的。同时，还可应用以下控制策略：

1.位置与速度的控制

从工业机器人的机械系统特性来看，其所用的运动控制技术与传统的自动化控制技术是相同的。不同的是工业机器人控制系统主要是以单轴或多轴机器人对运动的协调控制为主，对位置、速度的通控制要求非常高。

首先，就位置控制来说，可将其分为点位控制、连续控制两种控制方式。其中点位控制主要是指对各个离散点末端的执行装置位置姿态的控制。这种控制方式非常适用于相邻两点之间的控制。连续控制则是对工业机械手末端的各种执行装置位移姿态的控制。这种控制方式的最大优点是可以保证机械手能平稳运动，且可调控机械手运行速度。

其次，就速度控制来说，主要就是在控制机械手位置过程中进行速度控制。在这一过程中，技术人员应严格遵循速度变化曲线，提升机器人的行程控制水平。另外，考虑到工业机器人的运动情况比较多变，且惯性负载大。所以，技术人员还需处理好快速、平稳之间的矛盾。

2.力矩控制

力矩控制原理与机械手的位置控制原理是大致是相同的。不同的是力矩控制采用的是力矩信号。另外，工业机械手的结构基本都属于连杆串接结构，机械系统动态特性也始终处于高度集中的非线性状态。所以，在位置控制过程中要提前预设机械手关节的运动路线，从而精确控制其运动轨迹。但是每个关节都有独立的伺服结构，必须要通过在关节坐标系中输入位置信号，才能控制关节运动位置。显然，这种控制方式比较繁琐，且应用范围窄。所以，要引入力矩控制方法，改善其运动位置方式。具体来说，可按照以下步骤实施力矩控制。第一，要充分利用位置传感器进行机械手位置的探测。第二，充分利用速度传感器，进行关节速度的探测。然后就可利用反馈机制将相关信息传入到关节传感器中。第三，关键传感器在接受到相关信息之后，还要及时进行信息的分析、计算，从而计算出其运动力矩，并发出相关指令，从而有效控制机械手的运动。

3.轨迹跟踪的控制

从实际来看，在工业生产中工业机器人的运动多是重复的。比如切割、焊接等运动都是往复的。所以，若想提高工业机器人的跟踪轨迹精度，就要合理控制其跟踪误差。这也是人们目前较为关注的问题。

一般来说，工业机器人中的机械系统轨迹跟踪控制主要是依赖于迭代控制器。而且在其轨迹跟踪过程中，控制系统产生的跟踪轨迹误差数据是具有动力学特征的。所以在机器人的往复作业中可不断学习其跟踪误差数据，并将学习到的数据进行叠加，而后再输入到迭代控制器中就可以进行跟踪误差数据控制。另外，还可以在迭代控制器处于完全重力补偿状态下，进行机械手关节的轨迹的跟踪、控制。这时控制系统跟踪的实际轨迹与原输入轨迹是安全重合的。而且关节的平均及最大位置误差还会随着迭代次数的增加而减小，相应的其控制精度也会不断提升。

综上所述，在分析工业机器人的工业机械运动学时，要重点对机器人连杆参数及其D-H坐标变换、正逆向运动学进行分析。这些都是研究工业机器人控制方式、策略的基础。本文所提出的位置与速度控制、力矩控制、轨迹跟踪控制也是建立在工业机械运动学基础上的。

参考文献

[1]王厚英,李福武,何经纬.基于PLC与AGV控制的工业机器人自动产线[J/OL].轻工科技,2019(12):75-77[2019-12-17]./kcms/detail/45.1385.TS.20191209.1437.064.html.