工程机器人的设计和控制技术.pdf

工程机器人是一种可以执行工程任务的机器人，它结合了机械

学、电子学、计算机技术和控制工程学的知识，利用人工智能为

基础进行建模、仿真和控制，能够完成自主化运动、感知和任务

执行的一体化功能。

工程机器人的设计和控制技术是实现机器人自主决策、自主规

划、自主控制和自主执行的关键。本文将从机器人学的角度出发，

介绍工程机器人的三维设计、动力学分析、轨迹规划、运动控制

和传感反馈技术等方面的内容。

一、工程机器人的三维设计

工程机器人的三维设计包括机械结构设计和控制系统设计。机

械结构设计主要涉及机器人的外形、构造和动力学特性，而控制

系统设计主要涉及机器人的传感器、执行器和控制算法等。

机械结构设计需要考虑机器人工作环境和任务需求，以满足机

器人对承载能力、稳定性和操作灵活性的要求。例如，对于农业

形的选择和结构的设计会有不同。

控制系统设计需要将传感器、执行器和控制算法进行有机结合，

以实现机器人的自主化运动和任务执行。传感器负责感知外界环

境，包括机器人的位置、速度、姿态、障碍物和目标检测等；执

行器负责机器人运动的执行，包括机器人的位置、速度、加速度

和扭矩等；控制算法则负责实现机器人的运动规划和轨迹跟踪，

确保机器人能够顺利执行任务。

二、工程机器人的动力学分析

工程机器人的动力学分析是机械结构设计的重要内容，主要涉

及机器人的运动学和动力学分析，以实现机器人的精确运动和控

制。

机器人的运动学分析主要包括前向和逆向运动学分析。前向运

动学分析指的是通过已知机器人的关节位置和姿态，求出机器人

的末端执行器的位置和姿态；逆向运动学分析则是反之。动力学

分析则用于求解机器人受力、力矩和加速度等物理量，以实现机

器人的稳定性和控制精度。

轨迹规划是机器人控制系统设计的重要内容，是实现机器人的

自主决策和执行的关键。轨迹规划需要将机器人的运动特性和工

作环境进行综合考虑，以实现机器人在环境中的移动。

常见的轨迹规划方法包括直线规划和圆弧规划。直线规划是指

机器人从一个固定点出发，按照直线路径进行移动至目标点。圆

弧规划则是将路径分成若干段，通过交点、半径和角度等参数来

控制机器人的运动轨迹，并确保机器人在移动过程中避免碰撞和

其他障碍。

四、工程机器人的运动控制

工程机器人的运动控制是机器人控制系统设计的核心，负责控

制机器人实现自主化运动和任务执行。运动控制需要将传感器采

集到的数据和轨迹规划生成的移动路径进行综合考虑，以控制机

器人的姿态、位置和速度等运动特性。

通过预先输入控制命令，并根据机器人的运动特性和外部环境进

行实时调整，控制机器人的运动姿态和速度等特性；闭环控制则

是将机器人的位置、姿态和轨迹进行实时反馈，以实现机器人的

自主判断和动态调整控制。

五、工程机器人的传感反馈技术

传感反馈技术是机器人控制系统设计中的关键技术，负责将机

器人的控制命令和外部环境的反馈信息进行有机结合，以实现机

器人的自主化运动和任务执行。

常见的传感反馈技术包括视觉传感、触觉传感和惯性传感等。

视觉传感负责机器人的目标检测和环境识别，可以通过图像数据

进行机器人位置、人脸识别和目标跟踪等应用；触觉传感则可以

实现机器人的物体抓取和力传递等应用；惯性传感则可以实现机

器人姿态和运动状态的测量和控制。

总之，工程机器人的设计和控制技术是机器人化应用的关键技

术，它将机械学、计算机科学和控制科学等多学科知识相结合，

以实现机器人对外界环境和任务的自主化感知、决策和执行。未

越来越广泛地应用于制造业、医疗卫生、交通运输、环境保护等

领域，为人类带来更多的便利和福祉。