第1章緒論(1)

1.1機器人控制繫統發展歷史(1)

1.2機器人控制繫統概述(8)

1.3機器人控制繫統設計的一般流程(14)

1.4本書研究內容(15)

1.5章節安排與內容導讀(17)

1.6學習目標(17)

1.7如何使用本書(18)

習題(18)



第2章機器人建模(19)

2.1剛體位姿描述(19)

2.2機器人運動學建模(34)

2.3速度和靜力雅可比(45)

2.4機器人動力學建模(53)

本章小結(63)

習題(64)



第3章機器人軌跡生成與運動控制(69)

3.1機器人運動控制的概念和流程(70)

3.2機器人軌跡生成算法(76)

3.3機器人運動控制的實現(93)

3.4機器人控制問題和方法的分類(104)

3.5機器人控制程序示例(108)

本章小結(113)

習題(114)



第4章機器人常用電機及驅動器(117)

4.1步進電機及其驅動器(119)

4.2有刷直流永磁伺服電機及其驅動器(134)

4.3無刷永磁伺服電機及其驅動器(148)

4.4三種伺服電機的特點和適用場合(154)

4.5伺服驅動器簡介(155)

本章小結(156)

習題(157)



第5章經典分散運動控制(158)

5.1機器人關節電機的開環控制模型(158)

5.2驅動空間逆動力學方程的非線性與分解(169)

5.3獨立關節位置PID控制器(182)

5.4集中前饋補償位置PID控制器(202)

5.5PID控制器的離散化(209)

本章小結(214)

習題(215)



第6章逆動力學運動控制(218)

6.1誤差動力學方程(218)

6.2逆動力學控制器的設計(223)

6.3集中前饋補償位置PID控制器的問題(228)

6.4機器人逆動力學運動控制器(230)

6.5操作空間運動控制概述(239)

本章小結(244)

習題(244)



第7章機器人力控制基礎(246)

7.1機器人力控制的基本概念(246)

7.2完全剛性約束下的力控制(248)

7.3剛性約束與力位混合控制(250)

7.4彈性約束下的阻抗控制(261)

本章小結(274)

習題(275)



參考文獻(276)

前言 機器人控制繫統是機器人的核心子繫統之一，它需要根據指令和環境變化，控制本體完成任務。其中，把任務指令轉化為關節指令，進而實現運動和力控制，是機器人控制繫統的基礎功能。工業機器人是應用*廣泛也*成熟的機器人繫統，而運動和力控制正是工業機器人控制的核心問題。 本書圍繞運動和力控制問題，以串聯型工業機器人為研究對像，討論機器人動力學建模方法、機器人運動控制的軟硬件原理、機器人關節驅動器模型、獨立關節經典運動控制算法、逆動力學控制算法、力位混合控制算法和阻抗控制算法。通過上述討論，本書力求繫統化地梳理機器人控制技術的基礎理論和機器人控制繫統的構建方法，為設計和實現機器人控制繫統打下理論基礎。 從控制的角度看，機器人的顯著特點在於，它的動力學模型包含非線性參數和環境接觸力。在設計機器人運動和力控制算法時，無論利用經典控制理論還是現代控制理論，都要充分考慮機器人動力學模型的特點並加以利用。因此，本書首先對機器人學的基礎知識進行歸納，梳理建立機器人動力學模型的方法。 機器人控制繫統的基礎功能是運動控制，工業機器人的控制繫統也因而被稱為運動控制繫統。運動控制繫統並不僅僅完成關節指令的閉環控制，它還要把用戶指令轉換成機器人關節控制指令，其中涉及復雜的軟硬件知識。在討論抽像的控制算法之前，本書對機器人運動控制繫統的硬件組成、軟件模塊和運行原理進行了概述，使讀者直觀而全面地認識機器人運動控制繫統、了解控制算法的硬件載體以及算法在控制繫統中的作用。 電機是機器人的主件，也是控制算法的直接作用對像。本書結合機器人運動控制的需求，對機器人常用伺服電機及其驅動器進行了討論，進一步從硬件層面闡述機器人關節驅動的實現原理。 在前述討論的基礎上，本書用三章的篇幅，繫統而全面地討論了機器人動力學模型的非線性特性、非線性對機器人關節控制的影響、經典PID控制算法的適用條件/設計方法、速度/加速度/力矩前饋的設計方法、機器人非線性控制方法和力控制方法。這三章內容難度循序漸進，在知識體繫上有很強的連貫性，構成了機器人控制技術的基礎理論體繫，也是本書的核心內容。 本書以單關節和平面2R機器人為貫穿全書的研究對像，通過例題分析它們在開環控制、經典PID控制、前饋控制、逆動力學控制和力控制算法作用下的響應，使讀者更直觀地理解書中的理論知識。例題中以二維碼的形式提供相應的仿真程序源碼，幫助讀者初步了解如何把理論知識轉換為機器人控制繫統中的軟件代碼。 本書遵照上述思路進行編寫，總共包括七章，各章內容如下。 第1章緒論，對機器人控制繫統發展歷史進行了綜述，歸納了機器人控制繫統的軟硬件架構和設計方法，給出了本書的研究重點、閱讀方法和建議。 第2章機器人建模，對機器人學基礎的主要內容進行歸納總結，包括位姿描述、機器人運動學和動力學，為控制算法的討論打下理論基礎。 第3章機器人軌跡生成與運動控制，介紹機器人運動控制的基本概念和流程、軌跡生成算法、控制指令生成原理、機器人運動控制繫統硬件組成、軟件運行原理、機器人控制問題和算法的分類。 第4章機器人常用電機及驅動器，介紹了步進電機及其驅動器的基本原理，由步進電機構成的位置控制繫統，直流有刷、直流無刷和交流永磁同步電機及其驅動器的基本原理和模型。 第5章經典分散運動控制，討論了伺服電機及驅動器的速度控制模式和力矩模式、電機開環控制模型、獨立關節PID控制器、集中前饋補償控制器、數字PID算法的實現。 第6章逆動力學運動控制，討論了誤差動力學模型、機器人繫統的線性化方法、基於逆動力學模型的關節空間和操作空間運動控制方法。 第7章機器人力控制基礎，介紹了力位混合控制、阻抗控制、導納控制和力閉環控制方法。 本書在北京航空航天大學機器人工程專業本科核心專業課——“機器人控制技術基礎”講義的基礎上編寫而成，可以供機器人工程、機械工程、自動化工程等相關本科或研究生課程的教學使用。 本書在編寫過程中，充分結合機器人控制繫統的工程實現，力圖把理論知識與實際硬件相結合，盡量結合實例和硬件對像對理論公式中的各參數進行對照說明，並指出實際使用中的注意事項。因此，本書的目標不僅僅是介紹機器人控制技術的基礎理論，也希望從事機器人控制繫統開發的工程人員和科研人員能從中有所收獲。 本書由王巍、蔡月日、史震雲、張天雪共同編寫。其中，第1章由王巍、史震雲編寫，第2章由蔡月日、張天雪編寫，第3~7章由王巍編寫。 本書編寫過程中，得到了遨博(北京)智能科技股份有限公司劉剛工程師，北京航空航天大學機器人工程專業姜凌霄、周淏宇、唐友康同學的幫助，在此表示感謝！ 由於作者水平有限，本書中難免存在疏漏之處，懇請讀者批評指正。作者2023年4月