基于機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

肖蕾，程武山

（上海工程技術(shù)大學(xué), 上海 201620）

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，其生活的節(jié)奏也隨之加快?，F(xiàn)在在智能家居、工業(yè)智能制造都有機(jī)器人的身影，其產(chǎn)品的功能也是多種多樣，性能也在不斷提升，廣泛的應(yīng)用于智能制造等領(lǐng)域，為人類的便捷提供一條捷徑。智能機(jī)器人是集運(yùn)動學(xué)、仿生學(xué)、運(yùn)動控制學(xué)、圖像識別與分析等學(xué)科于一體的產(chǎn)物，其科技含量極高，在工業(yè)、智能家居和化學(xué)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了極大的應(yīng)用[1-2]。再加上我國經(jīng)濟(jì)正在大幅向前發(fā)展，人口紅利不斷降低，使得勞動力相對在減少，導(dǎo)致了勞動力成本的提高，生產(chǎn)的產(chǎn)品的成本也在無形之中得到增加，而引進(jìn)智能機(jī)器人不僅僅完成產(chǎn)品的流水線生產(chǎn)，還提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對不同產(chǎn)品的快速、連續(xù)、高效的生產(chǎn)，降低了勞動強(qiáng)度和勞動力，這樣使得工業(yè)智能機(jī)器人在噴涂、搬運(yùn)、焊接等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

隨著智能制造、工業(yè)化進(jìn)程的深入，每一個領(lǐng)域?qū)ψ詣涌刂坪椭悄芸刂葡到y(tǒng)的需求也不斷的提高，工業(yè)智能機(jī)器人也不例外，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其對工業(yè)機(jī)器人的性能和功能都提出嚴(yán)格的要求，與此同時，也促進(jìn)了運(yùn)動仿真學(xué)、智能控制等領(lǐng)域的高速發(fā)展[5-6]。本文是基于機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，旨在提高工業(yè)智能機(jī)器人的運(yùn)動性能和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對智能機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的作用。

1 智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析

智能機(jī)器人主要由機(jī)械部分、驅(qū)動部分和控制部分構(gòu)成，其關(guān)節(jié)式采用連桿機(jī)構(gòu)。末端操作器是執(zhí)行件，通過對機(jī)器人的運(yùn)動分析可知，機(jī)器人由六個關(guān)鍵構(gòu)成，其中每個關(guān)節(jié)都是可以旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，只是旋轉(zhuǎn)的角度范圍有所不同。智能機(jī)器人的運(yùn)動示意圖如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，這樣有助于機(jī)器人末端的操作器具有良好的水平特性，且穩(wěn)定性相對單臂而言更好，從而使抓取目標(biāo)始終處于水平方向，且沒有傾斜，有效的減少了機(jī)器人的多余的旋轉(zhuǎn)，大幅度提升了智能機(jī)器人的工作效率。

智能機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下[7]：

（1）機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)可以做360 度的旋轉(zhuǎn)動作；大臂可以做+0.71~-1.65rad 的運(yùn)動；小臂可以在扇形區(qū)域（+0.3~-2.04rad） 內(nèi)運(yùn)動；末端的操作器可以做兩圈旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；

（2）機(jī)器人的每個關(guān)節(jié)處都安裝有限位開關(guān)，有效的對機(jī)器人進(jìn)行保護(hù)，使得機(jī)器人能在安全范圍內(nèi)運(yùn)動。

（3）機(jī)器人的末端操作器能承擔(dān)的最大重量為160 公斤。

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

現(xiàn)在智能機(jī)器人主要采用的電機(jī)按照功能的劃分又可以分為步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，其中伺服電機(jī)又可以分為交流電機(jī)和直流電機(jī)。而前者的工作原理是由脈沖數(shù)量來控制角位移的步幅，其中是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為位移信號，以此達(dá)到電機(jī)的定位功能。步進(jìn)電機(jī)主要適用于開環(huán)的控制系統(tǒng)。即使在低速運(yùn)行的過程中，伺服電機(jī)也不會出現(xiàn)振動和爬行。通過對兩種電機(jī)的比較，分析其優(yōu)勢和劣勢，伺服電機(jī)的驅(qū)動方式更符合機(jī)器人的運(yùn)動方式；在直流與交流的選擇上，直流伺服電機(jī)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(jī)對于速度的控制就要優(yōu)于直流電機(jī)，可以有效對于低速、高速進(jìn)行控制，故在機(jī)器人的選擇上采用交流伺服電機(jī)進(jìn)行控制[8-9]。

2 智能機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析

2.1 機(jī)器人的平行機(jī)構(gòu)

從智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析，智能機(jī)器人的大臂和小臂可以構(gòu)成兩組平行機(jī)構(gòu)。兩組平行機(jī)構(gòu)有效使其的末端操作器處于水平運(yùn)動，并讓機(jī)器人在行走時，其末端的操作器處于垂直向下的狀態(tài)，因此末端操作器可以減小關(guān)節(jié)的運(yùn)動。

2.2 智能機(jī)器人位姿的表示

2.2.1 位置的表示

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

且 xm 、xm 、xm 為 m 點(diǎn)在 N 坐標(biāo)系中每個坐標(biāo)軸的分量。如圖2 所示。

圖2 機(jī)器人m 點(diǎn)坐標(biāo)在N 坐標(biāo)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(tài)的表示

然后將平移變換與旋轉(zhuǎn)變換結(jié)合到一塊，并且用齊次坐標(biāo)的形式進(jìn)行統(tǒng)一表示。

2.3 智能機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)分析

智能機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)是在機(jī)器人的任何一個關(guān)節(jié)的地方，讓其旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動，以此達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動位置和姿態(tài)。正運(yùn)動學(xué)求解流程圖如圖4 所示。

圖3 機(jī)器人位姿的坐標(biāo)示意圖 Fig. 3 Coordinate schematic diagram of robot's position and posture

圖4 正運(yùn)動學(xué)求解流程圖 Fig. 4 Flow chart of forward kinematics solution

3 機(jī)器人的運(yùn)行控制系統(tǒng)

所謂運(yùn)動控制就是通過不斷的改變智能機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)，使其速度、位移和姿態(tài)發(fā)生變化，從而達(dá)到預(yù)期的目的[10]。針對智能機(jī)器人的運(yùn)動來講，機(jī)器人運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)一般會涉及到許多領(lǐng)域和學(xué)科，現(xiàn)在可以采取計(jì)算機(jī)對機(jī)器人的運(yùn)動進(jìn)行仿真，達(dá)到驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動和功能的目的。通過虛擬仿真的機(jī)器人模擬機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)動控制過程，對其運(yùn)動的范圍和運(yùn)動速度都可以進(jìn)行分析，這樣才能更加真實(shí)的反映機(jī)器人的實(shí)際行走路線和運(yùn)動的性能。

3.1 關(guān)節(jié)控制器的研制

智能機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制器主要以PD 控制器為代表，以此達(dá)到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。PD 控制器可以有效的改善在機(jī)器人運(yùn)動過程中的伺服狀態(tài)，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高，誤差較小等特點(diǎn)，還可以帶有抱閘的功能，以此克服機(jī)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(guān)節(jié)控制器的控制與調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)每一個關(guān)節(jié)的點(diǎn)對點(diǎn)的行走，這樣使得機(jī)器人的末端操作從起點(diǎn)運(yùn)動到終點(diǎn)。機(jī)器人中的控制是通過點(diǎn)到點(diǎn)之間的運(yùn)動來進(jìn)行控制。在單步控制中，旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)可以使目標(biāo)關(guān)節(jié)運(yùn)動到制定的區(qū)域，不需要設(shè)定關(guān)節(jié)的順序。

3.3 連續(xù)控制

智能機(jī)器人在運(yùn)動時，通過對每一個關(guān)節(jié)的控制，將其姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)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(qū)別，但也有一定的聯(lián)系。單步控制是連續(xù)控制的基礎(chǔ)，也就是說單步控制的實(shí)現(xiàn)，才能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的控制，以此實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人末端操作的控制。

4 結(jié)論

本文以智能機(jī)器人的運(yùn)動控制為研究對象，對其進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析研究，從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、電機(jī)的選型和姿態(tài)等方面做深入的研究，利用運(yùn)動學(xué)的方法對智能機(jī)器人正、逆運(yùn)動進(jìn)行求解，得到機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和方式，驗(yàn)證了機(jī)器人的運(yùn)動合理性，隨著智能機(jī)器人的長遠(yuǎn)發(fā)展，對機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)的研究具有重要的意義。