14、机器人动力学控制与计算力矩控制方法详解

机器人动力学控制与计算力矩控制方法详解

在机器人控制领域，动力学控制是实现机器人精确运动的关键。本文将深入探讨机器人动力学控制中的计算力矩（CT）控制方法，包括其原理、不同类型的控制器以及计算机模拟等内容。

1. 机器人动力学基础

机器人动力学描述了机器人手臂和执行器的运动规律。通常，机器人动力学方程可以表示为：
[M(q)\ddot{q} + V_m (q, \dot{q})\dot{q} + F(q) + G(q) + T_d = T]
其中，(M(q)) 是惯性矩阵，(V_m (q, \dot{q})) 包含科里奥利力和离心力项，(F(q)) 是摩擦力项，(G(q)) 是重力项，(T_d) 是外部干扰力矩，(T) 是控制输入力矩。

在电机 - 关节耦合系统中，矩阵 (R) 的对角元素包含电机与关节耦合的齿轮比，控制输入为电机电压 (v(t))，(K_M) 是电机转矩常数的对角矩阵。并且，手臂加执行器的动力学形式与上述方程相同，具有表中所示的各种性质，这意味着后续介绍的控制方法同样适用于这个复合系统，对于液压等其他类型的执行器也有类似情况。不过，如果电机的电枢电感不可忽略，手臂加执行器的动力学将呈现耦合形式，需要采用特殊的控制技术。

2. 计算力矩（CT）控制方法

计算力矩（CT）方法为许多控制方案提供了统一的视角，包括 PD - 重力控制、经典独立关节控制和数字控制等。在 20 世纪 60 年代和 70 年代，CT 是机器人动力学控制的主要技术，近年来基于反馈线性化的先进数学技术也被推导出来，对于刚性连杆手臂，这些方法是等效的。

假设由路径规划器确定的机器人期望运动轨迹 (q_d(t)) 已