前些日子，知乎上有知友问“现在工业机器人里面到底有没有基于动力学控制”。我的回答是这样子的：

”机器人控制开发早已实现基于动力学模型的控制，否则打不开那么多的应用场景。举个例子: 短距离快速运动的点焊运动, 没有基于机器人机械动力学模型的话，这种运动会激励机械振动,只有基于动力学模型的控制才可以克服。另外像精准激光切割， 涂胶和去毛刺等应用场景，精准的contour tracking很重要，如果没有基于模型的控制，无法达成高跟随精度。还有，现在工业机器人具有末端负载自动识别功能，你说如果没有用到动力学模型，能实现吗？”

今天想总结和分享一下动力学模型在机器人开发和机器人控制和机器人参数监控中的角色：

1）计算控制环前馈信号和优化关节参考信号

帮助计算机器人控制环前馈信号和优化关节参考信号，优化机器人在应用任务要求和动力学约束下的速度，加速度和加速度率的参考信号。机器人末端装上不同的工具完成不同应用任务，一般情况（除了PTP）都是在机器人笛卡尔坐标系下规划工具的运动轨迹，然后通过运动学关系投射到机器人关节空间，生成关节空间的运动轨迹，因为毕竟最终机器人运动是靠驱动关节上的电机的。这些量驱动电机，间接使得末端工具按照预定轨迹运动。然而由于从机器人末端工具到关机电机输出轴之间耦合了弹性连杆，弹性轴承，摩擦和其他非线性要素如迟滞，使得最终任务空间的轨迹与定义的轨迹产生较大的偏离。基于动力学模型可以在线控制关节空间的参考轨迹指令；基于动力学模型可以计算前馈通道的速度和力矩，提升机器人系统的响应性能。

2）改善机器人静态误差

出厂的机器人个体之间存在差别，运动学和动力学参数存在差异，需要基于机器人运动学模型和动力学模型，使用测量手段和系统辨识方法辨识个体机器人的相关参数。为了改善机器人静态误差，需要特别考虑机器人弹性动力学模型。（可参考这篇文章：YuanH：工业机器人参数校准技术）

3）实施碰撞检测和负载辨识

如果没有实施动力学控制的话，机器人发生碰撞后，当某个轴超过一定力矩保护限值，或超过允许位置误差时才会触发停止。由于机器人从关节到末端的非线性，末端的撞击力可能会非常大，允许能达到千牛级别。实施了基于动力学的碰撞检测，那么当撞击力数十牛（具体要看机器人“吨位”了）时即可触发相对安全的停止。

4）高级的控制算法才有可能

一般情况机器人只有电机轴角度可测量，所以没有基于动力学模型的观测器设计或状态估计，很难达成状态反馈控制。其实，连最简单的控制形式即关节PID控制也需要实际关节速度和加速度，简单的差分求解速度和加速度会带来极大的噪音，通过状态估算可以获取较好的结果。另外更高级的控制例如LQG,QFT,H_infinity或者滑模控制都是基于动力学模型的控制算法。所以动力学模型是状态估计和控制算法设计的重要基础。

5）实施机器人故障辨识和诊断

工业无法承受宕机带来的经济损失，所以需要基于机器人运动学模型和动力学模型实施残差识别观测和监控，实现在线监控机器人运行性能，尽早发现性能下滑，实现预测性维护。这其中的难点包括：

A） 很难获得关键参数的变化趋势。因为机器人正常作业运行状态下所能获取的模态激励度往往很低。为了获得这一信息，往往要求机器人执行一些特殊设计的轨迹。并且这些轨迹动作需要额外编程，同时也要求机器人周边有足够的空间。这在实际工业环境，很难保证这样的条件要求。

B) 关键参数变化因素复杂。因为机器人工作在工厂环境，另外工况也可能发生变化，所以关键参数大幅度变化并不能说明机器人就有机械问题/故障发生，如机械磨损，轴承保持架断裂，也可能是工厂环境温度的变化或机器人作业对象发生了变化。

6）支持机器人设计阶段

机器人的研发设计过程是多学科互相交叉影响的迭代过程，强调协同设计(co-design)理念. 运动学模型和动力学模型为机器人在技术规范和成本约束下的设计及性能优化提供了重要基础。机器人的设计和控制基于同一个机器人模型，这样可以在机器人样机制造之前，就可以分析机器人的控制性能以及评估机器人控制软件。

另外基于动力学模型特别支持了驱动链包含电机，减速机，驱动单元的开发或选型，我们知道关节动力单元占据了机器人的很大部分成本。从它的设计过程我们也能看出动力学模型的重要功用。机器人关节驱动链一般设计步骤：

a）根据设计要求中的机器人工作空间和负载，定型运动支链基本尺寸和材质选择；

b）根据刚体动力学模型计算，估算所需的关节力矩和功率大小；

c) 依据控制带宽要求和弹性动力学模型分析，设计机械结构尺寸保证足够的机械带宽。

为了使得关节驱动链选型不小也不过分的大（尽量做到最小化成本），充分发挥其性能，将关节驱动链的模型集成于机器人的多体动力学模型中（即形成连杆到关节到关节内部的动力学模型），这些模型实时运行在机器人控制器中，计算和施加机器人速度和加速度的动态限值（具体限值取决于机器人位形），保护关节受到过大的力和力矩负载。有了这种关节负载动态（而非静态）限值，其实总体上是可以提升机器人的平均运行速度和加速度，从而提升机器人效率。

总之，从上面我们可以看出动力学模型从机器人设计阶段就开始发挥重要作用。在机器人设计定型，运行阶段的高性能轨迹跟踪，负载识别，碰撞检测，以及预测性维护等方面发挥着重要角色。也许还有很多其他的功用，欢迎补充和交流。

接下来的文章里面会介绍具体的实施方法，请持续关注哦。