工业机器人动态逆控制器的开发

周二振+王钰

摘 要：文章阐述了，开发一个逆向动态控制方法来提高工业机器人的跟踪性能，可以有效地解决非线性动态干扰的力量。一般来说，DFF（动态前馈）控制器和CTM（计算转矩）控制器用于对工业机器人的动态控制。用SimMechanics通过对模型的仿真来评估设计模拟控制器。结果表明，逆动态控制器是有效的，在实际应用上也可以成为一个真正的控制结构。

关键词：动态控制；DFF（动态前馈）；CTM（转矩计算方法）；SimMechanics

引言

多连杆工业机器人是一种典型的多输入多输出系统，它的状态是动态相互耦合的。因为每个机器人各关节的状态条件下都有一个大转矩变化，应该考虑机器人动力学的控制。从机器人的链接移动来跟踪参考轨迹，每个链接从其他链接上获得公平的干预作用。为了处理这些干扰力和优化跟踪性能和鲁棒性，有必要开发一个逆动态控制方法，有效地考虑非线性干扰的作用，比如惯性力，科氏力，离心力和重力。

基本上基于动态的控制器能够保证高精确的跟踪性能和鲁棒性。DFF控制器和CTM控制器在基本性能上几乎没有区别。如果广泛应用于机器人振动或外部力量上，CTM控制器具有更好的特性。吉尔伯特和哈里在1984年证明了CTM的鲁棒性，并且科斯拉也证明了CTM具有计算时间短，具有更精确的系统参数的优良性能。在第2部分，设计了一个SimMechanics模型通过仿真评估开发的控制器。第3部分也开发了DFF和CTM控制器。在4部分通过在HyRoHILS系统中使用SimMechanics模拟器模拟仿真和实验评估了路径跟踪性能和鲁棒性，分析了其中的优缺点。

1 机器人建模

SimMechanics建模

由于机器人在物理关系上复杂的结构，它是需要大量的计算时间去模拟多种系列的机器人。因此用MATLAB / SimMechanics工具箱，使刚体机械系统通过关节的连接变得更易于设计。

基于框图所建立起来的性质，MATLAB / SimMechanics按照其中的程序通过连接一些基本模型块构造一个机械系统模型，并且包含层次子系统。它可以模拟三维平移和旋转运动。为用户提供了一个工具来指定机构和它们的质量属性，其可能的动作，运动约束，坐标系统，启动和测量运动的手段。这使它不必经历一个复杂的分析建模过程。为了验证SimMechanics模型的有效性，我们比较了SimMechanics轨迹跟踪仿真模型与牛顿欧拉模型。分析模拟的结果，两个输入扭矩模型是相同的。

工业机器人有许多部分，比如刚体，马达，齿轮，轴等等。每个部分都有其机械特性。例如，有质量，惯性力，离心力。因此很难模拟机器人的每一个动态效果。所以一般情况下，我们模型机器人仅仅是在理想的情况下。忽略和简化影响不大的特性。在文章中，许多地方都简化为刚体。但由于电机惯性影响机器人在高速旋转时的动力特性，因此电机动态仿真模型也包括在内。图1是一个惯性电机和减速齿轮电机驱动模型。输入和输出轴是一致的，使用两个齿轮约束块。输入转矩应用到关节执行机构块。从关节传感器模型获得反馈信息。因此4轴的结构序列类型HyRoHILS系统被建模为图2所示。

2 CTM控制器

CTM控制器是动态控制器的一种。在计算转矩控制，反馈控制器将其输出到动态模型。

利用采样接头位置和速度数据，计算转矩控制器在线计算动力学。如果反馈信息包含噪声，那么系统性能就会不好。简单的描述完整的动力学：

（1）

？子为旋转关节的力矩矢量，？兹是关节角度的矢量，D是惯性矩阵，C是向量和向心，G是在真实系统的重力矢量。

输入CTM控制器的转矩

（2）

■是惯性矩阵，■是科里奥利的向量和向心，■是动态模型的重力向量。下标的意思是所需的信息。

3 DFF控制器

DFF控制器相对于CTM控制器，用来满足在线计算的需要。这种动态模型仅仅是按照所需路径的功能计算的，因此，当想要的路径提前知道的时候，在运动开始前值可以“离线”计算。在运行时，曾经预先计算的转矩将被快速读出。

4 仿真

路径跟踪性能

为了评估每个控制器的性能，我们使用一个矩形轨迹如图3来展示三维空间。图4和图5显示每个控制器的仿真结果，从图可以看出存在联合误差和轨道误差。第三个关节有着最大的动力、动态控制器将错误减少了10倍。这些结果验证了动态控制器的优势。CTM控制器和DFF控制器之间的差异很小。

5 结束语

为了提高工业机器人轨迹跟踪的性能，文章研究了逆动态控制器包括建模、计算、结构和鲁棒性等在实际问题中的发展，建立了两个著名的逆动态控制器，一个是DFF（动态前馈）控制方法，另一个是CTM（转矩计算方法）。通过仿真和实验评估了控制器的控制性能和鲁棒性。为了仿真，使用了一个从Matlab/SimMechanics建立起来的评估模型，测试了在负载扰动的情况下矩形的轨迹和跟踪性能的变化。结果表明，设计的控制器是有效的和有实际应用价值的。但为了获得最佳的性能，使信息系统参数更加精确是必需的。对未来的工作中，我们有一个计划来开发一个鲁棒控制器，尽管鲁棒稳定性和性能参数不确定。但一种非线性 的控制算法被提了出来。

参考文献

[1]J.Yim and J. H. Park，“Robust Control of Robot Manipulator with Actuators”，[C]KSME International Journal，vol.15，no.3，pp.320-326，2001.

[2]李军强，张志涌，周星星，等.康复医疗手臂外骨骼系统的研究[D].2005.

[3]陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德，等.六自由度机械手三维运动仿真研究计算[D].机计算机应用研究，2006（6）：205-207.

摘 要：文章阐述了，开发一个逆向动态控制方法来提高工业机器人的跟踪性能，可以有效地解决非线性动态干扰的力量。一般来说，DFF（动态前馈）控制器和CTM（计算转矩）控制器用于对工业机器人的动态控制。用SimMechanics通过对模型的仿真来评估设计模拟控制器。结果表明，逆动态控制器是有效的，在实际应用上也可以成为一个真正的控制结构。

关键词：动态控制；DFF（动态前馈）；CTM（转矩计算方法）；SimMechanics

引言

多连杆工业机器人是一种典型的多输入多输出系统，它的状态是动态相互耦合的。因为每个机器人各关节的状态条件下都有一个大转矩变化，应该考虑机器人动力学的控制。从机器人的链接移动来跟踪参考轨迹，每个链接从其他链接上获得公平的干预作用。为了处理这些干扰力和优化跟踪性能和鲁棒性，有必要开发一个逆动态控制方法，有效地考虑非线性干扰的作用，比如惯性力，科氏力，离心力和重力。

基本上基于动态的控制器能够保证高精确的跟踪性能和鲁棒性。DFF控制器和CTM控制器在基本性能上几乎没有区别。如果广泛应用于机器人振动或外部力量上，CTM控制器具有更好的特性。吉尔伯特和哈里在1984年证明了CTM的鲁棒性，并且科斯拉也证明了CTM具有计算时间短，具有更精确的系统参数的优良性能。在第2部分，设计了一个SimMechanics模型通过仿真评估开发的控制器。第3部分也开发了DFF和CTM控制器。在4部分通过在HyRoHILS系统中使用SimMechanics模拟器模拟仿真和实验评估了路径跟踪性能和鲁棒性，分析了其中的优缺点。

1 机器人建模

SimMechanics建模

由于机器人在物理关系上复杂的结构，它是需要大量的计算时间去模拟多种系列的机器人。因此用MATLAB / SimMechanics工具箱，使刚体机械系统通过关节的连接变得更易于设计。

基于框图所建立起来的性质，MATLAB / SimMechanics按照其中的程序通过连接一些基本模型块构造一个机械系统模型，并且包含层次子系统。它可以模拟三维平移和旋转运动。为用户提供了一个工具来指定机构和它们的质量属性，其可能的动作，运动约束，坐标系统，启动和测量运动的手段。这使它不必经历一个复杂的分析建模过程。为了验证SimMechanics模型的有效性，我们比较了SimMechanics轨迹跟踪仿真模型与牛顿欧拉模型。分析模拟的结果，两个输入扭矩模型是相同的。

工业机器人有许多部分，比如刚体，马达，齿轮，轴等等。每个部分都有其机械特性。例如，有质量，惯性力，离心力。因此很难模拟机器人的每一个动态效果。所以一般情况下，我们模型机器人仅仅是在理想的情况下。忽略和简化影响不大的特性。在文章中，许多地方都简化为刚体。但由于电机惯性影响机器人在高速旋转时的动力特性，因此电机动态仿真模型也包括在内。图1是一个惯性电机和减速齿轮电机驱动模型。输入和输出轴是一致的，使用两个齿轮约束块。输入转矩应用到关节执行机构块。从关节传感器模型获得反馈信息。因此4轴的结构序列类型HyRoHILS系统被建模为图2所示。

2 CTM控制器

CTM控制器是动态控制器的一种。在计算转矩控制，反馈控制器将其输出到动态模型。

利用采样接头位置和速度数据，计算转矩控制器在线计算动力学。如果反馈信息包含噪声，那么系统性能就会不好。简单的描述完整的动力学：

（1）

？子为旋转关节的力矩矢量，？兹是关节角度的矢量，D是惯性矩阵，C是向量和向心，G是在真实系统的重力矢量。

输入CTM控制器的转矩

（2）

■是惯性矩阵，■是科里奥利的向量和向心，■是动态模型的重力向量。下标的意思是所需的信息。

3 DFF控制器

DFF控制器相对于CTM控制器，用来满足在线计算的需要。这种动态模型仅仅是按照所需路径的功能计算的，因此，当想要的路径提前知道的时候，在运动开始前值可以“离线”计算。在运行时，曾经预先计算的转矩将被快速读出。

4 仿真

路径跟踪性能

为了评估每个控制器的性能，我们使用一个矩形轨迹如图3来展示三维空间。图4和图5显示每个控制器的仿真结果，从图可以看出存在联合误差和轨道误差。第三个关节有着最大的动力、动态控制器将错误减少了10倍。这些结果验证了动态控制器的优势。CTM控制器和DFF控制器之间的差异很小。

5 结束语

为了提高工业机器人轨迹跟踪的性能，文章研究了逆动态控制器包括建模、计算、结构和鲁棒性等在实际问题中的发展，建立了两个著名的逆动态控制器，一个是DFF（动态前馈）控制方法，另一个是CTM（转矩计算方法）。通过仿真和实验评估了控制器的控制性能和鲁棒性。为了仿真，使用了一个从Matlab/SimMechanics建立起来的评估模型，测试了在负载扰动的情况下矩形的轨迹和跟踪性能的变化。结果表明，设计的控制器是有效的和有实际应用价值的。但为了获得最佳的性能，使信息系统参数更加精确是必需的。对未来的工作中，我们有一个计划来开发一个鲁棒控制器，尽管鲁棒稳定性和性能参数不确定。但一种非线性 的控制算法被提了出来。

参考文献

[1]J.Yim and J. H. Park，“Robust Control of Robot Manipulator with Actuators”，[C]KSME International Journal，vol.15，no.3，pp.320-326，2001.

[2]李军强，张志涌，周星星，等.康复医疗手臂外骨骼系统的研究[D].2005.

[3]陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德，等.六自由度机械手三维运动仿真研究计算[D].机计算机应用研究，2006（6）：205-207.

摘 要：文章阐述了，开发一个逆向动态控制方法来提高工业机器人的跟踪性能，可以有效地解决非线性动态干扰的力量。一般来说，DFF（动态前馈）控制器和CTM（计算转矩）控制器用于对工业机器人的动态控制。用SimMechanics通过对模型的仿真来评估设计模拟控制器。结果表明，逆动态控制器是有效的，在实际应用上也可以成为一个真正的控制结构。

关键词：动态控制；DFF（动态前馈）；CTM（转矩计算方法）；SimMechanics

引言

多连杆工业机器人是一种典型的多输入多输出系统，它的状态是动态相互耦合的。因为每个机器人各关节的状态条件下都有一个大转矩变化，应该考虑机器人动力学的控制。从机器人的链接移动来跟踪参考轨迹，每个链接从其他链接上获得公平的干预作用。为了处理这些干扰力和优化跟踪性能和鲁棒性，有必要开发一个逆动态控制方法，有效地考虑非线性干扰的作用，比如惯性力，科氏力，离心力和重力。

基本上基于动态的控制器能够保证高精确的跟踪性能和鲁棒性。DFF控制器和CTM控制器在基本性能上几乎没有区别。如果广泛应用于机器人振动或外部力量上，CTM控制器具有更好的特性。吉尔伯特和哈里在1984年证明了CTM的鲁棒性，并且科斯拉也证明了CTM具有计算时间短，具有更精确的系统参数的优良性能。在第2部分，设计了一个SimMechanics模型通过仿真评估开发的控制器。第3部分也开发了DFF和CTM控制器。在4部分通过在HyRoHILS系统中使用SimMechanics模拟器模拟仿真和实验评估了路径跟踪性能和鲁棒性，分析了其中的优缺点。

1 机器人建模

SimMechanics建模

由于机器人在物理关系上复杂的结构，它是需要大量的计算时间去模拟多种系列的机器人。因此用MATLAB / SimMechanics工具箱，使刚体机械系统通过关节的连接变得更易于设计。

基于框图所建立起来的性质，MATLAB / SimMechanics按照其中的程序通过连接一些基本模型块构造一个机械系统模型，并且包含层次子系统。它可以模拟三维平移和旋转运动。为用户提供了一个工具来指定机构和它们的质量属性，其可能的动作，运动约束，坐标系统，启动和测量运动的手段。这使它不必经历一个复杂的分析建模过程。为了验证SimMechanics模型的有效性，我们比较了SimMechanics轨迹跟踪仿真模型与牛顿欧拉模型。分析模拟的结果，两个输入扭矩模型是相同的。

工业机器人有许多部分，比如刚体，马达，齿轮，轴等等。每个部分都有其机械特性。例如，有质量，惯性力，离心力。因此很难模拟机器人的每一个动态效果。所以一般情况下，我们模型机器人仅仅是在理想的情况下。忽略和简化影响不大的特性。在文章中，许多地方都简化为刚体。但由于电机惯性影响机器人在高速旋转时的动力特性，因此电机动态仿真模型也包括在内。图1是一个惯性电机和减速齿轮电机驱动模型。输入和输出轴是一致的，使用两个齿轮约束块。输入转矩应用到关节执行机构块。从关节传感器模型获得反馈信息。因此4轴的结构序列类型HyRoHILS系统被建模为图2所示。

2 CTM控制器

CTM控制器是动态控制器的一种。在计算转矩控制，反馈控制器将其输出到动态模型。

利用采样接头位置和速度数据，计算转矩控制器在线计算动力学。如果反馈信息包含噪声，那么系统性能就会不好。简单的描述完整的动力学：

（1）

？子为旋转关节的力矩矢量，？兹是关节角度的矢量，D是惯性矩阵，C是向量和向心，G是在真实系统的重力矢量。

输入CTM控制器的转矩

（2）

■是惯性矩阵，■是科里奥利的向量和向心，■是动态模型的重力向量。下标的意思是所需的信息。

3 DFF控制器

DFF控制器相对于CTM控制器，用来满足在线计算的需要。这种动态模型仅仅是按照所需路径的功能计算的，因此，当想要的路径提前知道的时候，在运动开始前值可以“离线”计算。在运行时，曾经预先计算的转矩将被快速读出。

4 仿真

路径跟踪性能

为了评估每个控制器的性能，我们使用一个矩形轨迹如图3来展示三维空间。图4和图5显示每个控制器的仿真结果，从图可以看出存在联合误差和轨道误差。第三个关节有着最大的动力、动态控制器将错误减少了10倍。这些结果验证了动态控制器的优势。CTM控制器和DFF控制器之间的差异很小。

5 结束语

为了提高工业机器人轨迹跟踪的性能，文章研究了逆动态控制器包括建模、计算、结构和鲁棒性等在实际问题中的发展，建立了两个著名的逆动态控制器，一个是DFF（动态前馈）控制方法，另一个是CTM（转矩计算方法）。通过仿真和实验评估了控制器的控制性能和鲁棒性。为了仿真，使用了一个从Matlab/SimMechanics建立起来的评估模型，测试了在负载扰动的情况下矩形的轨迹和跟踪性能的变化。结果表明，设计的控制器是有效的和有实际应用价值的。但为了获得最佳的性能，使信息系统参数更加精确是必需的。对未来的工作中，我们有一个计划来开发一个鲁棒控制器，尽管鲁棒稳定性和性能参数不确定。但一种非线性 的控制算法被提了出来。

参考文献

[1]J.Yim and J. H. Park，“Robust Control of Robot Manipulator with Actuators”，[C]KSME International Journal，vol.15，no.3，pp.320-326，2001.

[2]李军强，张志涌，周星星，等.康复医疗手臂外骨骼系统的研究[D].2005.

[3]陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德，等.六自由度机械手三维运动仿真研究计算[D].机计算机应用研究，2006（6）：205-207.