基于機器人的運動控制系統設計

肖蕾，程武山

（上海工程技術大學, 上海 201620）

0 引言

隨著人們生活質量的不斷提升，其生活的節奏也隨之加快。現在在智能家居、工業智能制造都有機器人的身影，其產品的功能也是多種多樣，性能也在不斷提升，廣泛的應用于智能制造等領域，為人類的便捷提供一條捷徑。智能機器人是集運動學、仿生學、運動控制學、圖像識別與分析等學科于一體的產物，其科技含量極高，在工業、智能家居和化學生產等領域得到了極大的應用[1-2]。再加上我國經濟正在大幅向前發展，人口紅利不斷降低，使得勞動力相對在減少，導致了勞動力成本的提高，生產的產品的成本也在無形之中得到增加，而引進智能機器人不僅僅完成產品的流水線生產，還提高了產品的生產效率和質量，實現對不同產品的快速、連續、高效的生產，降低了勞動強度和勞動力，這樣使得工業智能機器人在噴涂、搬運、焊接等領域得到廣泛應用[3-4]。

隨著智能制造、工業化進程的深入，每一個領域對自動控制和智能控制系統的需求也不斷的提高，工業智能機器人也不例外，隨著應用領域的不斷拓展，其對工業機器人的性能和功能都提出嚴格的要求，與此同時，也促進了運動仿真學、智能控制等領域的高速發展[5-6]。本文是基于機器人的運動控制系統設計，旨在提高工業智能機器人的運動性能和控制系統的穩定性，對智能機器人的發展和應用具有重要的作用。

1 智能機器人的結構分析

智能機器人主要由機械部分、驅動部分和控制部分構成，其關節式采用連桿機構。末端操作器是執行件，通過對機器人的運動分析可知，機器人由六個關鍵構成，其中每個關節都是可以旋轉的關節，只是旋轉的角度范圍有所不同。智能機器人的運動示意圖如圖1 所示。

圖1 機器人的結構示意圖 Fig. 1 Structural diagram of robot

從圖1 中可以看出，大臂與小臂之間是平行四邊形結構，這樣有助于機器人末端的操作器具有良好的水平特性，且穩定性相對單臂而言更好，從而使抓取目標始終處于水平方向，且沒有傾斜，有效的減少了機器人的多余的旋轉，大幅度提升了智能機器人的工作效率。

智能機器人的相關技術參數如下[7]：

（1）機器人的腰部結構可以做360 度的旋轉動作；大臂可以做+0.71~-1.65rad 的運動；小臂可以在扇形區域（+0.3~-2.04rad） 內運動；末端的操作器可以做兩圈旋轉運動；

（2）機器人的每個關節處都安裝有限位開關，有效的對機器人進行保護，使得機器人能在安全范圍內運動。

（3）機器人的末端操作器能承擔的最大重量為160 公斤。

機器人的驅動系統可以分為以下三種方式進行驅動：氣壓驅動、液壓驅動和電機驅動。將以上的驅動類型進行對比，其特點也是各不相同，液壓驅動的方式雖然占地面積小，但設備的成本極高、穩定性不佳；氣壓驅動的方式相對液壓而言，穩定性會好一些，但氣動的動力范圍選擇較窄，往往難以驅動或者驅動不穩定；而電機驅動相對以上兩種驅動方式，它的驅動較前兩個精度會高，而且也便于控制和調速，噪音相對較小，動作也會比較快，故選擇的是電機驅動。

現在智能機器人主要采用的電機按照功能的劃分又可以分為步進電機和伺服電機，其中伺服電機又可以分為交流電機和直流電機。而前者的工作原理是由脈沖數量來控制角位移的步幅，其中是將電脈沖信號轉換為位移信號，以此達到電機的定位功能。步進電機主要適用于開環的控制系統。即使在低速運行的過程中，伺服電機也不會出現振動和爬行。通過對兩種電機的比較，分析其優勢和劣勢，伺服電機的驅動方式更符合機器人的運動方式；在直流與交流的選擇上，直流伺服電機的原理相對簡單，操作簡單，但對速度有一定的限定，交流伺服電機對于速度的控制就要優于直流電機，可以有效對于低速、高速進行控制，故在機器人的選擇上采用交流伺服電機進行控制[8-9]。

2 智能機器人的運動學分析

2.1 機器人的平行機構

從智能機器人的結構分析，智能機器人的大臂和小臂可以構成兩組平行機構。兩組平行機構有效使其的末端操作器處于水平運動，并讓機器人在行走時，其末端的操作器處于垂直向下的狀態，因此末端操作器可以減小關節的運動。

2.2 智能機器人位姿的表示

2.2.1 位置的表示

建立一個三維的坐標系N，任意一點m 在N 坐標系中的坐標，用一個三維矢量表示即為：

且 xm 、xm 、xm 為 m 點在 N 坐標系中每個坐標軸的分量。如圖2 所示。

圖2 機器人m 點坐標在N 坐標系中的位置示意圖 Fig. 2 Position diagram of m-point coordinate of robot in N-coordinate system

2.2.2 姿態的表示

然后將平移變換與旋轉變換結合到一塊，并且用齊次坐標的形式進行統一表示。

2.3 智能機器人的正運動學分析

智能機器人的正運動學是在機器人的任何一個關節的地方，讓其旋轉或者直線運動，以此達到調節機器人的運動位置和姿態。正運動學求解流程圖如圖4 所示。

圖3 機器人位姿的坐標示意圖 Fig. 3 Coordinate schematic diagram of robot's position and posture

圖4 正運動學求解流程圖 Fig. 4 Flow chart of forward kinematics solution

3 機器人的運行控制系統

所謂運動控制就是通過不斷的改變智能機器人的相關參數，使其速度、位移和姿態發生變化，從而達到預期的目的[10]。針對智能機器人的運動來講，機器人運動控制的設計一般會涉及到許多領域和學科，現在可以采取計算機對機器人的運動進行仿真，達到驗證機器人運動和功能的目的。通過虛擬仿真的機器人模擬機器人實際的運動控制過程，對其運動的范圍和運動速度都可以進行分析，這樣才能更加真實的反映機器人的實際行走路線和運動的性能。

3.1 關節控制器的研制

智能機器人的關節控制器主要以PD 控制器為代表，以此達到控制系統的穩定。PD 控制器可以有效的改善在機器人運動過程中的伺服狀態，具有響應速度快、靈敏度高，誤差較小等特點，還可以帶有抱閘的功能，以此克服機器人工作過程中的慣性。

3.2 單步控制

單步控制是指對各個關節控制器的控制與調節，從而實現每一個關節的點對點的行走，這樣使得機器人的末端操作從起點運動到終點。機器人中的控制是通過點到點之間的運動來進行控制。在單步控制中，旋轉的關節可以使目標關節運動到制定的區域，不需要設定關節的順序。

3.3 連續控制

智能機器人在運動時，通過對每一個關節的控制，將其姿態進行調節和控制，實現機器人末端操作的功能。該控制方式與單步控制存在較大的區別，但也有一定的聯系。單步控制是連續控制的基礎，也就是說單步控制的實現，才能實現連續的控制，以此實現對機器人末端操作的控制。

4 結論

本文以智能機器人的運動控制為研究對象，對其進行設計和分析研究，從機器人的結構、電機的選型和姿態等方面做深入的研究，利用運動學的方法對智能機器人正、逆運動進行求解，得到機器人的運動軌跡和方式，驗證了機器人的運動合理性，隨著智能機器人的長遠發展，對機器人的運動系統的研究具有重要的意義。