关于机器人控制原理分析

潘相宇

哈尔滨工业大学（威海） 山东省威海市 264200

摘要：随着各种技术的不断发展，也使得机器人的研究领域越来越火热。机器人拥有十分复杂的逻辑设计，在具体控制的过程中，需要综合多个方面因素来进行考虑。其中涉及到电路知识、机械知识、通信知识等众多方面，必须要能够根据实际应用情况来进行合理设计，这样才能够发挥出更好的控制效果。本文将对机器人的控制原理进行研究。

关键词：机器人；控制原理；研究

当前机器人设计越来越注重智能控制效果，要能够根据实际环境来进行实时数据采集，将感知得到的环境信息传递到中央处理系统中。并且能够按照人的指令来进行高速度响应，更好地完成一些人工指令。为了提高机器人的控制效果，就需要综合电子控制设备、传感器技术、机械结构、电源系统等多个方面进行研究。

一、关于机器人控制的概述

当前世界各国已经针对机器人研发方面投入了越来越多的资源，也取得了丰富的研究成果。总体来看，在对机器人进行控制的过程中，相关设计方案一定要确保能够实现具体控制的简单化，这也就意味着要能够将复杂的总体系统控制逐渐进行转变，最终得到多个低阶子系统，这样就使得控制难度大大降低。当前机器人控制策略研究主要集中在当关节控制技术和多关节控制基础这两个方面，并且要严格确保控制的精度，这样才能够更多的应用在复杂的环境下。一般在此进程中可以针对误差来进行补偿。

可以将机器人看作是一个整体的控制系统，那么机器人需要完成的任务也就可以看作是相应的给定值，其中最重要的就应当是机器人的控制器，其中已经将各种控制策略通过程序来进行的实现，以此来对整个机器人的运动状态进行控制。那么机器人必须要通过高精度的传感器来采集到各项信息，这样才能够得知机器人的具体工作状态。目前机器人主要采用高性能微处理器来作为核心控制系统，并且通过控制感知部分以及伺服驱动部分来完成整个控制工作。并且经过几十年的发展，机器人控制领域已经取得了重大突破，机器人控制相关算法已经越来越成熟，极大地提高了机器人的反应速度。

并且要更多的考虑到机器人的实时控制的性能需求，要确保能够在复杂的环境下保持足够强的稳定性，并且达到极强的动态响应性的。为了便于控制，要实现定位，定位的精度一定要得到保障，这样才能够更好地规划机器人的运动轨迹。机器人控制主要采用了带有速度环、位置环的伺服控制系统，能够更好的提高控制精度。相对于日益精细化的机器人控制系统来说，一部分传感器模块的体积还需要进一步缩小。通过降低传感器模块的体积，也就能使得机器人能够应用在多种工业环境下，完成特定的任务。

关于机器人机械结构的设计极其复杂，要确保这些机械结构具有足够强的灵活性。并且一部分机械构件要具有一定的强度，以此来支撑机器人其他部件，发挥一种稳定性作用。并且机器人在工作过程中必须要能够通过这些机械结构来完成控制指令，通过建立相应的数学模型的方法来对所设计的机械结构进行模拟和测试，这样的可视性效果更好，有利于对相关方案进行改进。同时也能够根据特定的需求来进行推演，确定机器人机械结构设计的合理性。

二、机器人设计的研究

2.1 整体方案

在对机器人进行设计时，针对机械结构设计方面需要进行整体方案的确定。要能够对预期达到的控制效果进行研究，对基座、连杆、末端执行器的尺寸进行建模，要通过坐标系的方法来对这些部件的连接状态进行分析，确定其合理性。利用Solidworks画出机械臂机械结构，利用Matlab建立完整的机械臂模型，进行圆弧与直线的轨迹规划，并且根据控制策略以及具体的运动轨迹来进行编程，然后将程序导入到控制系统中，这样就能够完成机器人的整体控制。

2.2 机械结构设计

机器人的机械臂是由多个连杆以及运动副组成的运动链，在具体运动的过程中，要发挥这些连杆的连接作用，某一个连杆在运动时，就能够对所连接的另外的连杆进行驱动。考虑到实际控制过程的需要，一般都会确保机械臂的基座处于持续稳定的状态，也就是不发生任何变动。然后其他连杆会根据基座的状态来执行相应的控制指令。一般来说，在运动链的末端，往往都会装设有夹持工具，这样是为了完成对特定目标的夹持工作。

2.3 建模分析

目前MATLAB软件已经在各种建模分析活动中应用比较广泛，同样也能够使用robotics toolbox工具箱来根据已经获取到的D-H参数进行建模。在进行建模时，使用Link对象来描述机械臂连杆，然后修改相应的参数。根据机械臂连杆的设计方案建立起所有的模型，然后就需要使用SerialLink()来对这些连杆进行连接，这样才能够在模型上形成一个完整的机械臂。并且要做好末端执行器坐标系的确定，这样才能够精确地根据指令来进行运动控制。该软件还提供了sixlink.base来更改基座坐标系的位置。

2.4 轨迹规划设计

轨迹规划设计对于机器人控制十分重要。目前应用比较多的两种方法为关节空间运动和笛卡尔空间运动。根据机器人控制的具体需求，需要从圆形轨迹规划、直线轨迹规划、直线加圆弧轨迹规划这三个角度来进行分析。在圆形轨迹规划中，已经确定好了两个具体的位姿之后，就要插入多个关节角，可以使用jtraj函数来进行插入。在直线轨迹规划中，同样可以使用ctraj函数来进行规划。首先要确定出两个位姿需要耗费的运动时间，然后以此为依据来得到相对应的采样间隔。通过求解插补位姿的方法，就能够完整地描述出整个直线运动轨迹。MATLAB提供的sixlink.plot()工具还能够直接画出相应的图形，效果比较好。总体来看，在轨迹规划设计时，要严格考虑到机器人实际控制过程中的各种工况需求，从运动学的角度来进行分析，要能够有效地降低模型建设过程中的复杂性，这样才能够有利于相关模型的建设，提高机器人控制的效果。

三、结语

本文对机器人控制原理进行了分析。在当前的时代背景下，机器人领域将会持续高速发展，更好地满足各项生产实践活动的需求。机器人控制相对比较复杂，在进行方案设计时，机械结构的设计需要进行建模，通过计算机模拟的方法来获取到这些设计方案的可行性，并且将特定的控制策略进行编程，以此来完成机器人控制操作。

参考文献：

[1]王彦庆.物理原理在机器人控制中的应用[J].中学物理教学参考,2017,46(04):72-73.

[2]林峰华. 机器人控制系统设计及新型声纳原理研究[D].浙江大学,2011.

[3]李成群,罗兵,贠超,田振强.一种基于三自由度机器人控制原理的砂带磨床的静力学分析[J].中国机械工程,2007(11):1294-1298.

[4]罗熊,樊晓平.投射式虚拟现实的原理与实现及其在机器人控制中的应用[J].高技术通讯,2002(03):96-100.

作者简介：潘相宇（1998-11-29），男，汉族，籍贯：吉林省白山市，学历：高中，研究方向：机器人工程