多年以來，對機(jī)械手進(jìn)行動力學(xué)建模是學(xué)術(shù)圈當(dāng)中的一個(gè)已知方法。它通常被用作機(jī)器人和工程實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)工具，用于研發(fā)仿真機(jī)器人與高級控制算法、運(yùn)動模擬以及其他學(xué)術(shù)追求。動力學(xué)建模涉及數(shù)學(xué)公式的開發(fā)，用于描述機(jī)器人的動態(tài)特性，比如慣性、質(zhì)量、重心以及無法方便加以測量的其他特性。雖然頻繁地被用于理論研究，但是，使用動力學(xué)建模方法來改善機(jī)器人控制一直以來被工業(yè)機(jī)器人開發(fā)者和制造商所忽視。

Servotronix首先對動力學(xué)建模的潛力進(jìn)行了考慮，以便解決一家高速Delta機(jī)器人制造商所經(jīng)歷的性能問題。該種機(jī)器人被應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)。

使用機(jī)器人的太陽能晶元處理應(yīng)用，要求高加速性能和極高的精確性。但由于其固有的脆性結(jié)構(gòu)，因而Delta機(jī)械手非常容易斷裂。此外，它還對昂貴的生產(chǎn)負(fù)載與生產(chǎn)材料構(gòu)成撞擊和損壞的威脅。

Delta機(jī)器人對自身和負(fù)載都會構(gòu)成損傷風(fēng)險(xiǎn)

在某些系統(tǒng)當(dāng)中，機(jī)械手的增量運(yùn)動是以通過球形接頭連接到移動平臺和臂連桿的機(jī)械平行四邊形為基礎(chǔ)的。如果超出了某些位置或角度，那么導(dǎo)致機(jī)械手解體所需的力將會大幅降低，如果發(fā)生碰撞或強(qiáng)力推拉，機(jī)械手可能會非常容易發(fā)生解體。讓這種情形進(jìn)一步復(fù)雜化的是，這些斷裂點(diǎn)通常位于伸出位置，這些位置具有撞擊到某些障礙物的極大風(fēng)險(xiǎn)。如果在機(jī)械手分解之后，其所造成的撞擊后果仍然未被發(fā)現(xiàn)，那將可能會造成進(jìn)一步的損害。

為了克服這些缺點(diǎn)，對Delta機(jī)械手更好地加以控制，Servotronix的工程師采用了動力學(xué)模型并對其進(jìn)行了強(qiáng)化，而動力學(xué)模型的源頭正是來自學(xué)術(shù)研究。

由此所產(chǎn)生的模型，或者描述Delta機(jī)械手的算法集，還僅僅是故事的一半。

這是因?yàn)槟Ｐ途哂型ㄓ眯?。但由于機(jī)器人具有不同的尺寸和質(zhì)量，因此實(shí)際參數(shù)值將會有所不同。雖然機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)原理都是相同的，但是各機(jī)器人的物理特性是不同的。即使是在某個(gè)已經(jīng)制造的機(jī)器人系列當(dāng)中，每種機(jī)器人的物理特性也可能會略有不同，并將會對性能產(chǎn)生不同影響。

一旦已經(jīng)對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行建模，就需要獲取動力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)值。Servotronix通過開發(fā)額外算法來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以便自動確定運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)。

雖然有些參數(shù)，比如機(jī)器人臂連桿的幾何尺寸，可以方便地加以測量并應(yīng)用到公式當(dāng)中，但其他參數(shù)值，比如每個(gè)連桿的重心，是通過自動識別程序來加以確定的。

在識別過程中，機(jī)器人將會隨機(jī)移動，動力學(xué)參數(shù)的數(shù)值是通過Servotronix的識別算法來加以確定。內(nèi)部和外部要素都被納入到計(jì)算當(dāng)中，比如形狀、材料、電纜以及摩擦等。

由于模型控制Delta機(jī)器人的成功實(shí)施，Servotronix進(jìn)一步針對其他類型的機(jī)器人開發(fā)了動力學(xué)模型，比如SCARA機(jī)器人，4軸橫臂機(jī)器人，以及5軸伽利略球形機(jī)器人。本公司認(rèn)識到，可以通過動力學(xué)建模來滿足對于機(jī)器人更高輸出、更快速度以及更低成本的日益增長的需求。

對一個(gè)5軸伽利略球形機(jī)器人建立動力學(xué)模型

通過使用動力學(xué)模型，Servotronix客戶的機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了更快的穩(wěn)定時(shí)間和更好的運(yùn)動軌跡控制。該種方法還有一個(gè)附帶的好處，那就是可以通過機(jī)械參數(shù)，特別是摩擦常數(shù)隨時(shí)間的變化，來檢測系統(tǒng)的磨損情況。

正如力矩誤差所顯示的那樣，計(jì)算出來的力矩值幾乎準(zhǔn)確預(yù)測了透過力矩值

如今，基于模型的控制已經(jīng)是ServotronixsoftMC多軸控制器的一個(gè)內(nèi)置功能。其有效性將通過一條實(shí)時(shí)運(yùn)動總線系統(tǒng)最終得以實(shí)現(xiàn)。EtherCAT可以讓ServotronixsoftMC多軸控制器每毫秒更新驅(qū)動數(shù)值，在每次采樣過程中，softMC都會向驅(qū)動器發(fā)送，并從驅(qū)動器接收命令以及反饋的力矩值，以及標(biāo)準(zhǔn)的位置和速度值。softMC通常與ServotronixCDHD伺服驅(qū)動器匹配使用?？梢詫oftMC進(jìn)行設(shè)置，以便將接收到的力矩當(dāng)作一個(gè)附加值，作為自行計(jì)算力矩值的一個(gè)補(bǔ)充。

采用了模型控制以及實(shí)時(shí)EtherCAT運(yùn)動總線的ServotronixsoftMC3和softMC7（由左至右）多軸運(yùn)動控制器

模型控制的直接好處就是，正如Delta機(jī)器人案例所展示的那樣，可以檢測和避免碰撞，從而使負(fù)載、工作區(qū)以及操作員獲得更好的保護(hù)。此外，它還可以消除對于力傳感器的需求，從而可以簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低成本。

這種控制方法最顯著的好處，就是更強(qiáng)的機(jī)器人行為能力和驅(qū)動性能。由于到達(dá)某個(gè)位置所需要的力矩能夠以更高的精度加以計(jì)算和控制，從而可以使機(jī)器人的運(yùn)動路徑獲得高度優(yōu)化。所需要的電流也更加平穩(wěn)，因?yàn)殡娏鲾?shù)據(jù)可以通過計(jì)算得出，而非簡單地通過反饋回路加以獲取，從而提供了更好的速度控制，減少了機(jī)械手發(fā)生抖動或驟然運(yùn)動的可能。

通過對機(jī)器人在運(yùn)動過程中所需的力矩和力進(jìn)行評估，并防止出現(xiàn)過度力矩，可以方便安全地增加機(jī)器人的速度，同時(shí)縮短振蕩和穩(wěn)定時(shí)間。最終結(jié)果就是，基于模型的控制可以讓系統(tǒng)運(yùn)動得更加快速和準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)更高的處理能力。