基于机器人的运动控制系统设计

肖蕾，程武山

（上海工程技术大学, 上海 201620）

0 引言

随着人们生活质量的不断提升，其生活的节奏也随之加快。现在在智能家居、工业智能制造都有机器人的身影，其产品的功能也是多种多样，性能也在不断提升，广泛的应用于智能制造等领域，为人类的便捷提供一条捷径。智能机器人是集运动学、仿生学、运动控制学、图像识别与分析等学科于一体的产物，其科技含量极高，在工业、智能家居和化学生产等领域得到了极大的应用[1-2]。再加上我国经济正在大幅向前发展，人口红利不断降低，使得劳动力相对在减少，导致了劳动力成本的提高，生产的产品的成本也在无形之中得到增加，而引进智能机器人不仅仅完成产品的流水线生产，还提高了产品的生产效率和质量，实现对不同产品的快速、连续、高效的生产，降低了劳动强度和劳动力，这样使得工业智能机器人在喷涂、搬运、焊接等领域得到广泛应用[3-4]。

随着智能制造、工业化进程的深入，每一个领域对自动控制和智能控制系统的需求也不断的提高，工业智能机器人也不例外，随着应用领域的不断拓展，其对工业机器人的性能和功能都提出严格的要求，与此同时，也促进了运动仿真学、智能控制等领域的高速发展[5-6]。本文是基于机器人的运动控制系统设计，旨在提高工业智能机器人的运动性能和控制系统的稳定性，对智能机器人的发展和应用具有重要的作用。

1 智能机器人的结构分析

智能机器人主要由机械部分、驱动部分和控制部分构成，其关节式采用连杆机构。末端操作器是执行件，通过对机器人的运动分析可知，机器人由六个关键构成，其中每个关节都是可以旋转的关节，只是旋转的角度范围有所不同。智能机器人的运动示意图如图1 所示。

图1 机器人的结构示意图 Fig. 1 Structural diagram of robot

从图1 中可以看出，大臂与小臂之间是平行四边形结构，这样有助于机器人末端的操作器具有良好的水平特性，且稳定性相对单臂而言更好，从而使抓取目标始终处于水平方向，且没有倾斜，有效的减少了机器人的多余的旋转，大幅度提升了智能机器人的工作效率。

智能机器人的相关技术参数如下[7]：

（1）机器人的腰部结构可以做360 度的旋转动作；大臂可以做+0.71~-1.65rad 的运动；小臂可以在扇形区域（+0.3~-2.04rad） 内运动；末端的操作器可以做两圈旋转运动；

（2）机器人的每个关节处都安装有限位开关，有效的对机器人进行保护，使得机器人能在安全范围内运动。

（3）机器人的末端操作器能承担的最大重量为160 公斤。

机器人的驱动系统可以分为以下三种方式进行驱动：气压驱动、液压驱动和电机驱动。将以上的驱动类型进行对比，其特点也是各不相同，液压驱动的方式虽然占地面积小，但设备的成本极高、稳定性不佳；气压驱动的方式相对液压而言，稳定性会好一些，但气动的动力范围选择较窄，往往难以驱动或者驱动不稳定；而电机驱动相对以上两种驱动方式，它的驱动较前两个精度会高，而且也便于控制和调速，噪音相对较小，动作也会比较快，故选择的是电机驱动。

现在智能机器人主要采用的电机按照功能的划分又可以分为步进电机和伺服电机，其中伺服电机又可以分为交流电机和直流电机。而前者的工作原理是由脉冲数量来控制角位移的步幅，其中是将电脉冲信号转换为位移信号，以此达到电机的定位功能。步进电机主要适用于开环的控制系统。即使在低速运行的过程中，伺服电机也不会出现振动和爬行。通过对两种电机的比较，分析其优势和劣势，伺服电机的驱动方式更符合机器人的运动方式；在直流与交流的选择上，直流伺服电机的原理相对简单，操作简单，但对速度有一定的限定，交流伺服电机对于速度的控制就要优于直流电机，可以有效对于低速、高速进行控制，故在机器人的选择上采用交流伺服电机进行控制[8-9]。

2 智能机器人的运动学分析

2.1 机器人的平行机构

从智能机器人的结构分析，智能机器人的大臂和小臂可以构成两组平行机构。两组平行机构有效使其的末端操作器处于水平运动，并让机器人在行走时，其末端的操作器处于垂直向下的状态，因此末端操作器可以减小关节的运动。

2.2 智能机器人位姿的表示

2.2.1 位置的表示

建立一个三维的坐标系N，任意一点m 在N 坐标系中的坐标，用一个三维矢量表示即为：

且 xm 、xm 、xm 为 m 点在 N 坐标系中每个坐标轴的分量。如图2 所示。

图2 机器人m 点坐标在N 坐标系中的位置示意图 Fig. 2 Position diagram of m-point coordinate of robot in N-coordinate system

2.2.2 姿态的表示

然后将平移变换与旋转变换结合到一块，并且用齐次坐标的形式进行统一表示。

2.3 智能机器人的正运动学分析

智能机器人的正运动学是在机器人的任何一个关节的地方，让其旋转或者直线运动，以此达到调节机器人的运动位置和姿态。正运动学求解流程图如图4 所示。

图3 机器人位姿的坐标示意图 Fig. 3 Coordinate schematic diagram of robot's position and posture

图4 正运动学求解流程图 Fig. 4 Flow chart of forward kinematics solution

3 机器人的运行控制系统

所谓运动控制就是通过不断的改变智能机器人的相关参数，使其速度、位移和姿态发生变化，从而达到预期的目的[10]。针对智能机器人的运动来讲，机器人运动控制的设计一般会涉及到许多领域和学科，现在可以采取计算机对机器人的运动进行仿真，达到验证机器人运动和功能的目的。通过虚拟仿真的机器人模拟机器人实际的运动控制过程，对其运动的范围和运动速度都可以进行分析，这样才能更加真实的反映机器人的实际行走路线和运动的性能。

3.1 关节控制器的研制

智能机器人的关节控制器主要以PD 控制器为代表，以此达到控制系统的稳定。PD 控制器可以有效的改善在机器人运动过程中的伺服状态，具有响应速度快、灵敏度高，误差较小等特点，还可以带有抱闸的功能，以此克服机器人工作过程中的惯性。

3.2 单步控制

单步控制是指对各个关节控制器的控制与调节，从而实现每一个关节的点对点的行走，这样使得机器人的末端操作从起点运动到终点。机器人中的控制是通过点到点之间的运动来进行控制。在单步控制中，旋转的关节可以使目标关节运动到制定的区域，不需要设定关节的顺序。

3.3 连续控制

智能机器人在运动时，通过对每一个关节的控制，将其姿态进行调节和控制，实现机器人末端操作的功能。该控制方式与单步控制存在较大的区别，但也有一定的联系。单步控制是连续控制的基础，也就是说单步控制的实现，才能实现连续的控制，以此实现对机器人末端操作的控制。

4 结论

本文以智能机器人的运动控制为研究对象，对其进行设计和分析研究，从机器人的结构、电机的选型和姿态等方面做深入的研究，利用运动学的方法对智能机器人正、逆运动进行求解，得到机器人的运动轨迹和方式，验证了机器人的运动合理性，随着智能机器人的长远发展，对机器人的运动系统的研究具有重要的意义。