1、目前，多連桿機械臂的研究方向之一是在保證控制和操作性能不變(甚至更高)的前提下減輕其重量。這一需求始于對空間機械臂的研究，并擴展到了醫(yī)用、服務、甚至工業(yè)機械臂的研發(fā)中。重量減輕的好處是不言而喻的，但勢必會帶來系統(tǒng)柔性的增加。而系統(tǒng)柔性的增加對控制系統(tǒng)的設計者來說是具有挑戰(zhàn)性的。這意味著人們要面對高階非線性系統(tǒng)的控制問題。本文重點研究柔性關節(jié)機械臂的動力學控制問題。提高柔性關節(jié)機械臂動態(tài)響應的問題折騰了各國控制專家很多年，但所得到的具有實

2、用價值的結果卻很有限。同其他研究領域所遇到的問題類似，主要難度在于未知因素太多。本論文旨在理清思路并試圖在這一控制問題的研究中能夠前進一步。
　　眾所周知，柔性關節(jié)機械臂的動力學可以分解為驅動電機的動力學，關節(jié)力矩的動力學和機械臂慢動力學(等價于剛體機械臂動力學)，其最終系統(tǒng)模型是一個五階非線性系統(tǒng)。事實上，控制理論界對這樣一個高階的，帶有不確定性的非線性多輸入多輸出系統(tǒng)的控制問題始終沒有一個滿意的答案。特別是要求得到的控制算法不

3、能過于復雜，不能使用過多的傳感器，不能損傷動作器等等。本項研究的關鍵特性之一就是重點解決動力學模型中諸如參數(shù)偏差和外部干擾等系統(tǒng)不確定性,從而達到對閉環(huán)系統(tǒng)極點的任意配置。就控制性能而言，可以認為系統(tǒng)極點的任意配置是控制系統(tǒng)設計的最高境界，因為它從理論上保證了能使系統(tǒng)的響應任意地快。這一設計宗旨始終貫穿整個研究工作。
　　論文首先評價了目前存在的對柔性關節(jié)機械臂的各種控制方法,其中包括:基于反饋線性化的狀態(tài)空間方法，動態(tài)反饋線性化

4、方法，奇異攝動及積分流型方法，積分反步法，基于無源系統(tǒng)的控制方法，自適應控制技術，模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡方法，簡單PD(或PID)控制，變結構及滑?？刂品椒āＵ撐淖髡哒J為，奇異攝動(主要指積分流型)方法，基于無源系統(tǒng)的控制方法和滑?？刂品椒ㄊ潜容^有前景的控制方法，因為它們或者引入物理信息或者利用被控系統(tǒng)的物理特性從而得到簡單有效的控制結果。論文指出了現(xiàn)代滑模控制理論在柔性關節(jié)機械臂控制中的巨大應用潛力。
　　在論文的主體部分先探討了有

5、關永磁同步電機的先進控制方法，其中包括永磁同步電機弱磁運行方式即最大力矩方式算法的詳細推導及與傳統(tǒng)常功率方式的比較，這使得電機的最大運行速度得以進一步地提高。這一點在空間機器人即柔性關節(jié)機械臂的應用中尤為重要。其次，基于積分滑?？刂评碚撎岢隽艘环N用于剛體機械臂軌跡跟蹤控制的魯棒控制方法。盡管存在系統(tǒng)不確定性，這種控制方法具有極點配置能力并可用于柔性關節(jié)機械臂的外環(huán)控制。為了減弱由滑?？刂扑鸬亩墩瓞F(xiàn)象，將積分滑模的概念用于對系統(tǒng)擾動的

6、估計，以此作為擾動補償器對由于各種原因所引起的綜合擾動項進行補償。論文指出，使用一個低通濾波器并調節(jié)其時間常數(shù)可以在積分滑模控制法與該系統(tǒng)擾動估計法(后者具有準連續(xù)的控制輸入)之間進行調節(jié)，由此可以兼顧系統(tǒng)魯棒性和抖震衰減。以上關于永磁同步電機和剛體機械臂控制的研究為處理柔性關節(jié)機械臂最內部和最外部的動力學打好基礎。
　　剩下的問題就是如何處理中間的關節(jié)力矩動力學了。論文提出并對比了幾種關節(jié)力矩的控制方法。其中包括PD控制法，直接

7、滑?？刂品盎９烙嬈鞣椒?。論文證明PD控制法與傳統(tǒng)滑模控制中為減弱抖震現(xiàn)象而引入的邊界層方法是等價的。但是，由于PD控制法結構過于簡單而且粗暴(為跟蹤快速變化的參考力矩信號控制器增益要調得很高)，它不適用于對關節(jié)力矩的跟蹤控制，特別是存在更外部的控制環(huán)路時，容易造成整個控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所提出的直接滑?？刂品ㄍ瑫r考慮了交流電機的解耦控制問題并充分利用了定子抽頭電壓固有的不連續(xù)性以解決由滑?？刂扑鸬亩墩饐栴}。其基于李雅普諾夫穩(wěn)定性理

8、論和三相交流電機物理特性的穩(wěn)定性證明是本論文的亮點之一。這一方法的突出優(yōu)點是:力矩控制系統(tǒng)對關節(jié)力矩模型中的諸項不確定性都具有魯棒性。因為它沒有內部電流環(huán)，因此系統(tǒng)響應也快。第三種關節(jié)力矩控制方法即滑模估計器方法實際上是一種自適應方法，即對系統(tǒng)的綜合擾動進行估計并加以補償從而達到極點配置的目的。這一控制方法需要較多的控制器參數(shù)但不需要關節(jié)力矩信號的二階導數(shù)。關節(jié)力矩控制被認定為現(xiàn)代柔性關節(jié)機械臂控制的主要特征之一。
　　用關節(jié)力矩

9、控制取代剛體機械臂控制系統(tǒng)中的電流控制，從而將為剛體機械臂所開發(fā)的各種外環(huán)控制算法(諸如關節(jié)空間和任務空間的位置軌跡跟蹤控制及機械阻抗控制等)應用于柔性關節(jié)機械臂的控制系統(tǒng)中，是本論文所要努力的方向之一，其好處是顯而易見的。這一思路將柔性關節(jié)機械臂控制的難點轉移到了關節(jié)力矩控制系統(tǒng)的設計問題中。事實和經(jīng)驗證明，這一關節(jié)力矩控制系統(tǒng)的設計是具有挑戰(zhàn)性的。與電機電流的動力學不同，柔性關節(jié)機械臂關節(jié)力矩的動力學具有更多﹑更快﹑更強的擾動項(而

10、前者只有較慢的感生電動勢一項)。
　　最后，基于提出的關節(jié)力矩控制器比較了三種柔性關節(jié)機械臂位置跟蹤控制方法。這些方法包括，基于奇異攝動理論的位置控制法，使用擴展正則(Extended-Regular-Form)分塊控制概念的位置控制法，基于滑模估計器的級聯(lián)位置控制法。其中奇異攝動法簡單有效，但依賴于系統(tǒng)參數(shù)(主要是關節(jié)剛度)。擴展正則型法(內環(huán)使用直接滑模關節(jié)力矩控制)的控制效果最好，但當考慮關節(jié)電機的動力學時這一方法需要關節(jié)力

11、矩信號的二階導數(shù)。而基于滑模估計器的級聯(lián)位置控制法不需要力矩信號的二階導數(shù)，但需要較多的控制器參數(shù)和內部電流控制環(huán)。這些比較研究的結果進一步證實:在控制高階不確定系統(tǒng)時沒有免費的午餐，除非降低對系統(tǒng)帶寬的要求(即降低參考輸入的頻率和幅度)。而解決問題的主要途徑應該是引入附加的物理約束或信息。
　　就研究工作的方法論而言，論文作者不主張使用大量的數(shù)學推演來解決問題，而是著眼于對物理系統(tǒng)的深入理解和充分利用，以求得到的控制算法具有盡量

12、簡單的數(shù)學形式并具有直觀的物理意義和通用性。作為控制系統(tǒng)設計的主要工具本項研究使用了滑?？刂评碚撝械淖钚陆Y果，如積分滑?？刂萍跋嚓P的系統(tǒng)擾動估計等方法。
　　如前所述，對柔性關節(jié)機械臂控制進行研究的特殊性在于如何處理關節(jié)力矩動力學。然而，實踐中的一些限制，諸如關節(jié)力矩傳感器的非理想因素(噪音、偏置、時延、非線性和其他時變因素)，阻止了關節(jié)力矩控制在實際機器人系統(tǒng)中的應用。盡管如此，這并不意味著對柔性關節(jié)機械臂控制策略的研究(諸如控