1.前言
前一段时间学习了一门课程—工业机器人先进控制技术，课程涉及的内容算是比较广泛，虽然是传统的控制理论方面的东西，但是里面好多的东西仍然值得我们学习。尤其是对于以后想从事机器人方向的人来说，就显得格外重要。最近刚好想写一个博客专栏，所以就介绍一下这方面的内容。
2.背景介绍
2.1 工业机器人发展史
- 美国是现代机器人时代的发源地，日本1968年才开始有了第一台机器人。此后，日本工业机器人技术得到飞速发展，并在年产量和装机台数上迅速赶上和超过美国，跃居世界首位。近20年来，日本继续保持“机器人王国”地位，一直拥有全世界60%左右的机器人
- 尽管美国所拥有的机器人在数量上不如日本多（占全世界15%左右），但其技术水平较高，占有一定优势。
- 德国机器人台数排在美国之后
- 我国1985年已先后在几个学会内设立了机器人专业委员会，80年代后期，国家863计划自动化领域设立的两个主题中就有一个是关于智能机器人。
2.2 将工业机器人作为典型控制对象的依据
- 70年代开始到80年代末，是机器人学及机器人控制研究的热门时期，出现许多机器人方面的期刊和会议（如Intenational Conference on Robotics and Automation 就是从87年开始每年在美国召开的）。
- 一方面，机器人在那个时期的发展最为迅速，追求高性能带来对控制的高要求；另一方面，控制理论在当时已基本完成了第二个重要发展期，如现代控制理论、最优控制、自适应控制、大系统递阶协调和分散控制、鲁棒控制等，都已经基本完成了理论体系的建立工作，急需寻找一个典型且有影响的对象系统进行应用研究和实验验证。
- 总体来讲，70~80年代末机器人控制的研究主要是基于模型的，重视理论结果；后来随着智能控制技术的发展，人工神经元网络、模糊控制、遗传算法等也相继被应用于机器人控制中，但得到的多是仿真和实验结果。
- 机器人是一个典型的复杂控制对象，复杂性主要体现在：
–强的本质非线性（线性化模型的描述精度很低）
–强耦合（单回路控制方法仅对低速和低加速有一定控制精度）
–参数不确定，或很难准确得到（基于模型的控制方法受到挑战）
而且机器人对象有一定的代表性，如一类开链或闭链的机械装置。需要研究适合于机器人的高性能控制方法去适应未来对机器人的高级性能要求。 - 从控制理论研究的观点，理论研究与实际应用之间存在“鸿沟”，理论发展需要应用需求的刺激和拖动，需要有复杂的实际应用对象。研究机器人控制对控制理论的研究确实起到一定的促进作用。
- “工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，能自动执行工作，靠自身动力和控制能力实现各种功能的一种机器”——baidu
2.3 机器人分类
目前对机器人可以分为以下几类，列举在表格当中：
2.4 本专栏重点研究内容
对于操作臂的机构和控制理论的研究并不是一门新的学科，而是传统学科理论的一种综合：
1、空间描述与变换
•机器人研究关注的空间物体包括：操作臂连杆、末端执行器、操作对象（零部件）等。
•对空间物体用位置和姿态表示其确定状态。
•为描述物体的位姿，需要设置参考系。
•任一坐标系都可以作为描述物体位姿的参考系。
•不同坐标系下的位姿描述可以相互变换。
2、操作臂正运动学
•运动学研究物体的运动，而不考虑引起这种运动的力。
•运动学研究位置、速度、加速度等操作臂运动的几何和时间特性。
•操作臂连杆由关节串接而成。关节有转动和平动两种，关节变量分别为关节角和关节偏距
•自由度：独立的关节变量数。
•基坐标系、工具坐标系。
•正运动学：根据关节变量计算工具坐标系（执行器位姿）。
3、操作臂逆运动学
•给定操作臂末端执行器的位置和姿态，计算对应的关节变量。这是操作臂实际应用中一个基本问题。
•对于开链机构，这是一个复杂的几何问题，会遇到无解（不能到达）或多解问题。
•逆运动学需要求解非线性方程经常没有解析解。
•早期操作臂用人工示教方式记录轨线上的关节变量，省却计算逆运动学关系。
4、速度、静力、奇异性
•前面运动学分析了静态定位问题，这里是速度分析。
•雅可比矩阵给出了从关节速度向笛卡尔空间作业端速度的变换。变换矩阵随操作臂位形不同而改变。
•在奇异位形上，雅可比矩阵不可逆，意味作业端某些速度不可实现。
•雅可比矩阵还可构成关节力矩与作业端对外界施加力/力矩之间的计算关系。
5、动力学
•主要研究产生运动所需要的驱动力。
•动力学方程将关节驱动力矩与路径的空间形式和瞬时特性、连杆和负载的质量特性以及关节摩擦等因素联系起来。
•理想情况下，控制操作臂沿期望路径运动的一种方法是：直接施加运用操作臂动力学方程求解的关节力矩。
•用于仿真。
6、轨迹生成
•将末端执行器的期望运动转化为相应的关节运动，以便实现关节驱动控制。
•一条路径的描述不仅需要确定期望目标，而且还需要确定一些中间点，要求操作臂必须顺序通过这些中间点以便躲避障碍物。
•有时用样条函数来表示一系列路径点的连续函数
7、操作臂设计与传感器
•从控制的角度考察操作臂的机械结构：
–活动范围（包括作业端的位置、朝向）及本体尺寸
–结构的刚性
–机械和控制精度（传动间隙、位置精度、位置重复精度等）
–静摩擦大小
–操作能力（驱动能力、承重比）
•专用操作臂用少的关节完成特定任务，通用操作臂的关节数至少为6。
•完善的操作臂设计还包括：驱动器、传动系统以及内部位置、力传感器等。
8、操作臂运动控制
•基于动力学模型的操作臂控制方法
•控制算法中使用操作臂的位置和速度的量测值，使用方式决定了是线性控制方法，还是非线性控制方法。
•前馈（或补偿）+误差反馈的主流控制结构。
•针对操作臂模型参数未知情况，需要考虑先进的控制技术。
•从“稳定区域”和“误差范围”两个方面比较典型控制方法的性能。
9、操作臂力控制
•运动控制侧重操作端沿给定路径的运动精度控制问题，未考虑操作端与外界环境的接触和作用。
•力控制的应用场合除搬运、各种工具机等，装配也是重要的方面。操作臂的位置控制精度并不高，而装配工艺要求高精度的位控制。因此，工业机器人需要具有力感觉和控制力和力矩的能力，才能弥补位置控制精度不足的缺点而完成装配任务。
•不仅要实现操作端的运动控制，同时还要实现操作端对被操作体的作用力控制，这是一个运动/力混合控制问题。