摘 要：拉格朗日方程是通用六自由度工業(yè)機械臂進行動力學分析的常用方法。然而，當關節(jié)自由度多于三時，其動力方程的展開式相當復雜，完整地求出其表達式并不現(xiàn)實。本文首分析了六自由度機械研究發(fā)展，然后分析了機械模型之中的動力學模型的解析，最后分析了工業(yè)機械的監(jiān)控分析。
　　關鍵詞：六自由度；工業(yè)；機械；力學模型；
　　機械臂可根據(jù)一定的程序和軌跡模仿人手部的部分動作要求，從而展開自動抓取和搬運，其操作系統(tǒng)是自動化裝置，且機械臂對控制實時性要求極高。隨著科學技術的發(fā)展飛速，傳統(tǒng)機械臂控制系統(tǒng)早已適應不了現(xiàn)代化的要求，早期基于PLC的機械臂控制系統(tǒng)輸入/出較為緩慢，且其間所采用的算法冗余過多，造成程序掃描時間太長，從而導致電機控制實時性缺失。因此，分析基于PLC的六自由度機械臂控制系統(tǒng)，對我國機械臂控制系統(tǒng)研究有著極大現(xiàn)實意義。
　　一、六自由度機械研究發(fā)展簡析
　　六自由度機械臂也就是多自由度機械臂，其屬于典型的強耦合多輸入/輸出的非線性系統(tǒng)，可以說目前對機械臂軌跡快速跟蹤控制研究較多，但其間許多重點還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，機械臂建模及機械臂控制系統(tǒng)研究是十分關鍵的。
　　六自由度機械臂絕大多數(shù)都是工業(yè)型機器人，其可實現(xiàn)自動搬運和裝配，且可以自動焊接與噴涂。固高科技GRB系統(tǒng)的六自由度機器人可謂是固高成熟健全的運動控制技術，其間具備先進的設計及教學理念，可充分滿足工業(yè)現(xiàn)場的各方面要求，更是教學及科研機構運動規(guī)劃的關鍵內容，亦是編程系統(tǒng)設計最為適宜的對象。
　　機械臂建模是基于機械臂的相關特點而實現(xiàn)的，往往機械臂分布質量為三維的，且其屬多自由度結構，以牛頓力學得出機械臂動力學方程式十分困難的，但是基于拉格開朗日力學則僅獲得相應的能量項，且于許多條件下應用十分方便；機械臂控制系統(tǒng)的研究所采用的方式多是模糊自適應控制及神經網(wǎng)絡自適應控制，亦或者是魯棒自適應控制和滑模變結構控制，不過這些方式實現(xiàn)過程非常復雜。而逆系統(tǒng)方式屬于反饋線性化方式，其強調以對象逆系統(tǒng)建立可用反饋化方式實現(xiàn)的α階積分逆系統(tǒng)，主要是將對象補償為線性傳遞關系系統(tǒng)，也就是偽線性系統(tǒng)，之后基于此設計控制器。
　　二、動力學分析
　　為使六個自由度均為旋轉副的工業(yè)機械臂的連桿加速，驅動器必須有足夠大的力和力矩來驅動機械臂連桿和關節(jié)，以使它們能夠以期望的速度和加速度運動，否則連桿將不能以需要的速度運動，并由于運動遲緩而達不到期望的位置精度。因此，必須建立決定機械臂運動的動力學關系來計算各驅動器所需驅動力。
　　通常使用牛頓力學等方法來確定機器人動力學方程，然而由于機器人是具有分布質量的三維、多自由度的機械裝置，利用牛頓力學來確定其動力學方程非常困難。本文利用拉格朗日力學進行分析。用拉格朗日力學建立系統(tǒng)動力學方程時只需考慮系統(tǒng)能量，使用起來較為容易。運動學正反解算法設計其間采用的伺服電機應改變轉角來驅動機械臂工作，要將平動盤位置合理定位，同時并聯(lián)機械臂系統(tǒng)，這里強調的是將其與電機轉角準確轉換，而其間互相轉換主要是運動學正解算法及運動學反解算法這兩方面：正解算法則是其間所采用的各臺伺服電機轉角可推算平動盤于平面中的位置；反解算法則強調的是以平面中平動盤合理推算電機中軸的旋轉角度。
　　三、監(jiān)控系統(tǒng)分析
　　具體而言，監(jiān)控系統(tǒng)主要是下述幾方面構成：其一，主界面。主界面可全面顯示六自由度并聯(lián)機械臂的實際結構，還有其電機左右抱閘控制及伺服鎖定控制，且采用指示燈來指示狀態(tài)，從而及時觀測機械臂實時位置；其二，自動控制界面。此界面中具備機械臂的自動運行按鍵，比如自動啟動及STOP等類按鈕，亦可設置自動運行中的許多位置和屏障高度，且此界面還應設置適宜的鐵片，其厚度應適宜六自由度機械臂控制，還有其循環(huán)次數(shù)及運動速度等類參數(shù)；其三，手動控制界面。該界面可實現(xiàn)機械臂的手動操作，比如其相應的點動，并嚴格指定相關位置絕對移動；其四，報警界面。此界面主要是以指示燈指示相應的方向，警示其越限和軸錯誤，同時設置相應的按鈕，如果出現(xiàn)越限警報，則可及時按下清除按鈕將機械臂恢復于原始位置。
　　四、模型簡化分析
　　為了證明通用六自由度工業(yè)機械臂動力學模型簡化為前三自由度機械臂動力學模型的可行性，在ADAMS 中對其進行分析。設六自由度工業(yè)機械臂中各個關節(jié)的輸入軌跡為 qd=cos（πt）- sin（πt），所以 速 度 為 q觶 d=- πsin（πt）- πcos（πt），加 速 度 為 q d= - π2cos（πt）+π2sin（πt），因此，各關節(jié)的最大速度值為姨2 π rad/s。當只考慮前三自由度動力學特性時，各關節(jié)輸入相同的軌跡，并令后三關節(jié)固定不動。
　　結束語
　　隨著國家經濟水平的快速提升，科學技術亦隨之飛速發(fā)展，各類高性能及多功能機械被研發(fā)和應用�；�六自由度機械臂快速推動了我國機械臂功能水平的提升，且促進了我國六自由度機械臂的進一步發(fā)展，可推動我國工業(yè)生產及機械制造業(yè)的快速發(fā)展，以此促進我國經濟水平的快速提升，從而提升我國在國際上的競爭力，同時也提高了我國的國際地位。本文對六自由度機械臂研究發(fā)展進行了簡析，探討了六自由度機械臂結構，全面分析了的六自由度機械臂控制，為我國機械臂控制系統(tǒng)設計水平的提升提供可靠的理論性依據(jù)。
　　參考文獻
　　[1]李佳.推動中國標準國際化，助力“中國制造2025”——全國工業(yè)機械電氣系統(tǒng)標準化技術委員會（SAC/TC231）四屆四次全體會議在杭州成功召開[J].制造技術與機床，2017（06）：24-25.
　　[2]梁學修.工業(yè)機械臂交流伺服控制系統(tǒng)關鍵技術研究[D].中國農業(yè)機械化科學研究院，2017.
　　[3]任天琦.基于MFAC的多關節(jié)串聯(lián)工業(yè)機器臂軌跡跟蹤控制研究及實現(xiàn)[D].北京交通大學，2017.
　　[4]王琥.基于6-DOF工業(yè)機械臂雙目視覺伺服控制系統(tǒng)研究[D].廣西大學，2016.
　　[5]王冬梅.基于單應性的工業(yè)機械臂視覺軌跡跟蹤迭代學習控制[D].浙江大學，2016.
　　[6]徐方方.基于任務級的移動機器人/工業(yè)機械臂復合冗余系統(tǒng)的規(guī)劃技術研究[D].南京理工大學，2013.
　　（作者單位：山西農業(yè)大學信息學院）

相關熱詞搜索：自由度 動力學 簡化 模型 工業(yè)