(论文 页数:90 字数:30318)摘 要:机器人的控制问题无论在理论界还是工程界多年来一直备受人们关注。众所周知，在机器人的各种控制算法中，基于模型的计算力矩控制方法是十分有效的，其操作性能也是相当优秀的。然而，这种控制算法必须面临两大难题，第一，必须实现对机器人动力学模型的快速计算；第二，必须事先精确了解机器人的动力学模型，因为计算力矩算法在模型未知的情况下鲁棒性较差。但在实际中，即使获得一个较为理想的机器人动力学模型也是很困难的，何况在操作过程中机器人动力学模型的各个参数可能发生变化，同时还受到环境干扰和负载变化等许多不确定性因素的影响。这是否说明计算力矩算法无能为力呢？
本论文以具有完整动力学模型的机器人系统，即不确定性机器人系统为研究对象，在现有文献的基础上，重点探讨基于计算力矩算法的各种补偿控制策略。
本论文首先介绍机器人的发展概论概况，然后对计算力矩控制算法的基本思想和主要特点作详细的阐述，紧接着探讨基于计算力矩结构不确定性机器人的补偿控制方案，其中的基本思想都是将不确定性机器人系统分解成标称系统和不确定系统：对于标称系统，采用计算力矩控制；对于不确定系统，利用机器人系统的回归矩阵或集中不确定性上界的包络函数，设计不同的补偿控制器。两者叠加作为整个机器人系统的控制输入，使机器人闭环系统实现全局一致最后有界、渐近稳定甚至指数稳定。对所设计的控制器分析了稳定性、鲁棒性等品质指标，并且对同一个二自由度串联机器人的计算机仿真证明了其有效性和可行性。

关键词　不确定性机器人；计算力矩控制；鲁棒自适应；全局稳定最后有界；机器人运动学；S-Function仿真




Abstract
The control problems of robotic manipulators have received great
attention in the oretical research and engineering for many years. It is well known that the model-based scheme popularly known as Computed Torque Control (CTC) is effective and its performance is excellent in various control strategies for robotic manipulators. However, the requirements forsuccessfully implementing CTC are fast computation and perfect knowledge of dynamic model. Because CTC is not robust enough in the present of imprecise knowledge of system parameters. In practice, unfortunately, it is impossible to obtain a perfect, or even reasonably accurate dynamic model of a robotic manipulator. Furthermore, the parameters of dynamics model of robotic manipulators may also be subject to change when the manipulator goes about its task. Meanwhile, the system can be influenced by uncertainties such as external disturbance and payload change. Can we say that CTC is invalid in such circumstance mentioned above.
In this dissertation, the system of robotic manipulators with entire dynamic model, namely, the robotic system with uncertainties is regarded as controlled plant and the various compensation schemes based CTC are developed on base of the references available.
The dissertation gives a brief description about the developing situation and control theory of robot firstly, and then the underlying idea and characteristic of CTC are introduced in detail. Subsequently three classes of control strategies with compensation control structure which are based on CTC are proposed. The overall idea is that the system of robotic manipulators is decomposed as two parts: one is nominal system with perfect knowledge of dynamic model and the other is system with uncertainties. CTC is used to control nominal system. For uncertainties system, we utilize the regressor of robotic system or bounding function on uncertainties to design different compensation controllers. The outputs of the two parts control the robotic
systems together. These proposed control algorithms ensure Global Universe Ultimate Boundedness Stability, Global Asymptotic Stability and Global Exponential Stability of the whole robotic system. The performances of controller such as stability and robustness are analyzed. The simulation results are presented for the same 2-DOF serial robotic manipulator, which validate the effectiveness and feasibility of the proposed schemes.

Keywords　robotic manipulators with uncertainties; computed torque control;
robust adaptive; Global Universe Ultimate Boundedness Stability; Dynamic Model;S-Function Simulation





目 录
摘 要 I
Abstract II

第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 机器人学的发展 1
1.2.1 机器人的定义 1
1.2.2 机器人的分类 2
1.2.3 工业机器人的发展概况 3
1.3机器人结构与工作原理 5
1.3.1机器人系统的的结构 5
1.3.2 机器人系统的工作原理 5
1.4 本课题研究的内容、目的和意义 6
1.4.1 内容 6
1.4.2目的 6
1.4.3意义 6
第2章 机器人学及预备知识 7
2.1机器人的运动学 7
2.1.1 运动学正向问题 7
2.1.2运动学逆向问题 8
2.2机器人的动力学 11
2.2.1 机器人平动运动动力学模型建立 11
2.1.2 机器人旋转运动动力学模型的建立 13
2.3预备知识 14
2.3.1平行移动 14
2.3.2 旋转 15
2.3.3齐次变换 17
2.3.4 机器人的雅可比矩阵 17
2.4本章小结 21
第3章 机器人数学模型建立 23
3.1应用拉格郎日方法建立机器人动力学模型 23
3.2机器人完整动力学模型的建立 27
3.3机器人动力学结构特性 28
3.4仿真模型的建立 30
3.5预备知识 31
3.6本章小结 33
第4章 机器人的计算力矩控制 35
4.1 计算力矩法的基本思想 35
4.2 仅对标称模型的计算力矩控制 35
4.3 仿真研究 37
4.5本章小结 38
第5章 应用计算力矩的补偿控制结构 39
5.1集中补偿不确定性的控制策略 40
5.1.1不确定性约束参数 已知 41
5.1.2 不确定性约束参数 未知 46
5.2 不确定性分解的鲁棒自适应控制 51
5.3本章小结 55
结 论 57
参考文献 59
附录1 61
附录2 63
附录3 79
附录4 89
致谢 97

第1章 绪论
1.1 引言
“机器人”这个名称对许多人来说并不陌生。在 20 世纪不到 40 年的时间里，机器人从无到有，现在已经拥有“百万大军”，它们在世界经济的各个领域和人民生活的众多方面忠诚地为人类服务。今天，机器人技术对人类社会的贡献引起各国专家学者的极大关注[1][2]。各发达国家无不把对机器人技术的研究列入高科技发展计划，投入大量的人力、物力和财力进行研究。有专家指出：在 21 世纪，一个国家如果不拥有一定数量的机器人就不具有进行国际竞争所必需的工业基础。人们常常会问为什么要发展机器人?我们说机器人的出现和高速发展是社会和经济发展的必然，是为了提高社会的生产力水平和人类的生活质量。让机器人替人们干那些人干不了、干不好的工作。在现实生活中有些工作会对人体造成伤害，比如喷漆、重物搬运等；有些工作对质量要求很高，人难以长时间胜任，比如汽车焊接、精密装配等；有些工作人无法身临其境，比如火山探险、深海探密、空间探索等；有些工作不适合人去干，比如枯燥单调的重复性劳动等；对于这些工作，机器人都可以代替人来进行。服务机器人可以为您治健、保洁保安；水下机器人可以帮助打捞沉船、铺设电缆；工程机器人可以上山入地、开洞筑路；农业机器人可以耕耘播种、施肥除虫；军用机器人可以冲锋陷阵、排雷排弹……
中国工程院院长宋健指出：“机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化。” 机器人技术综合了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用和影响。