一、机器人控制导论

1、机器人

• 广义：AGV、无人车、服务机器人、陪护机器人、宠物机器人
• 狭义：工业机器人

2、控制

• 广义：掌握住对象不使任意活动或超出范围或使其按控制者的意愿活动
• 狭义：系统状态或者输出对期望的镇定或跟踪
  • 镇定控制
  • 跟踪控制
  • 接触控制

3、机器人控制

• 成功完成一项任务
• 准确执行一条运动轨迹
• 准确定位到指定位置和姿态

4、动力学与控制

• 控制方法的特色
• 强调基于模型的控制

5、正运动学

从关节角到末端位置

• 通过编码器获取关节角度
• 已知关节角${\theta }_1、{\theta }_2$，求末端位置$x,y$

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6、逆运动学

从末端位置到关节角

• 作业任务对机器人末端位置提出要求
• 已知末端位置$x,y$，求关节角${\theta }_1、{\theta }_2$

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7、正动力学

系统输入决定状态变化

• 给定机器人的当前状态，再给它一个扭矩，机器人会怎样运动？
• 已知某时刻关节状态$\theta 、\dot{\theta }$和转矩$\tau$求关节加速度$\ddot{\theta }$

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8、逆运动学

根据任务求解输入

• 给定机器人的运动轨迹，如何求解关节驱动力矩
• 已知期望的轨迹$\theta 、\dot{\theta }、\ddot{\theta }$，求所需要提供关节转矩 $\tau$

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9、速度运动学

关节速度与末端速度之间的关系

• 希望机器人以指定的速度沿曲面轮廓运动
• 研究机器人关节速度$\dot{\theta }$与末端位姿速度$X$之间的关系

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10、路径规划与轨迹生成

（1）路径规划：path planning

• 在任务空间或者构型空间选取一条路径使机器人运动到目标位置
• 不考虑沿轨迹运动的速度和加速度

（2）轨迹生成：trajectory generation

• 确定机器人沿给定路径从起始到最终构型运动的时间序列
• 通常在关节空间以时间多项式的形式给出

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11、独立关节控制与多变量控制

• 反馈控制
• 前馈控制
• 计算力矩控制

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12、力控制

• 阻抗控制
• 混合位置力控制

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13、机器人控制的评价方法

（1）精度与重复定位精度

• 绝对定位精度：何种程度达到给定点
• 重复定位精度：何种程度到达示教点

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（2）位姿准确性

指令位姿和从同一方向接近该指令位姿时的实到位姿平均值之间的偏差

• 位置准确度（Positioning Accuracy)

  指令位姿的位置与实到位置集群中心之差

• 姿态准确度（Orientation Accuracy)

  指令位姿的姿态与实到姿态平均值之差

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（3）位姿重复性

机器人对同一指令位姿从同一方向重复响应$n$次后实到位姿的一致程度

• 位置准确度（Positioning Repeatability）

  位置重复性为位置集群中心为球心的球半径$R{P}_1$之值

• 姿态准确度（Orientation Repeatability）

  姿态重复性为围绕平均值$\bar{a}，\bar{b}，\bar{c}$ 的角度散布 $\pm 3S_a、\pm 3S_b、\pm 3S_c$

（4）轨迹准确度

表示机器人在同一方向上沿指令轨迹 $n$次移动其机械接口的能力。

（5）轨迹重复性

表示机器人对同一指令轨迹重复 $n$ 次时实到轨迹的一致程度。

注：位姿准确度和重复性是对机器人静态精度的描述， 而轨迹准确度和重复性则是对机器人动态（或者过程）精度的描述。