機器人運動學與控制是工業機器人技術體系中的精髓部分 它研究機器人各關節運動與末端執行器在空間中的位姿之間的映射關系是實現機器人精準作業的理論基石

運動學分析分為正運動學與逆運動學兩個基本問題 正運動學是指已知每個關節的角度求解末端執行器的位姿 這一問題相對簡單通過建立連桿坐標系并應用D-H參數法可以推導出統一的變換矩陣 逆運動學則恰好相反是已知末端期望的位姿反解出所有關節需要轉動的角度 逆運動學的求解通常更為復雜可能存在多解無解或奇異點等情況需要根據實際情況選擇優解

軌跡規劃是連接起點與終點的橋梁 它不僅要確定路徑更要規劃機器人沿該路徑運動時的速度與加速度曲線 常見的軌跡規劃包括關節空間規劃與笛卡爾空間規劃 關節空間規劃計算量小但末端路徑不可預測 笛卡爾空間規劃能嚴格控制末端路徑但計算復雜且在奇異點附近容易出問題 優秀的軌跡規劃能確保運動平滑平穩避免劇烈沖擊

機器人的控制回路負責精確執行規劃好的軌跡 它通常采用分層控制結構上層進行軌跡插補生成期望的位置速度指令下層則由各關節的伺服驅動器完成閉環控制 PID控制及其變種算法是應用廣泛的控制策略 對于高性能需求的應用還會引入前饋補償摩擦補償等高級技術以應對非線性干擾提升動態響應性能與終定位精度