第5章 机器人位置和力控制

机器人位置和力控制是机器人学的一个重要分支，其主要内容包括机器人的控制策略、控制系统设计以及机器人动力学和运动学模型的建立。蔡自兴主编的《机器人学》第三版中，将这些内容通过PPT形式进行授课，全面系统地介绍了这一领域。 在第五章中，首先对机器人控制与传动进行了概述。机器人的控制系统是非线性的、多变量的、复杂的耦合动态系统，并且具有冗余性。控制任务本身也是动力学任务，控制系统包括多种结构形式，例如非伺服控制、伺服控制、位置和速度反馈控制、力（力矩）控制、基于传感器的控制、非线性控制、分解加速度控制、滑模控制、最优控制、自适应控制、递阶控制以及各种智能控制等。 机器人的控制变量主要指的是控制机器人各关节的变量。机器人的控制层次可分为主控层、控制模式层和伺服系统层。主控层通常采用人工智能技术来执行较为复杂的决策任务；控制模式层根据任务要求选择合适的控制策略；伺服系统层负责执行精确的运动控制。 在机器人传动系统方面，内容涵盖了液压缸伺服传动系统、电-液压伺服控制系统和滑阀控制液压传动系统等。传动系统负责将控制命令转化为机器人的实际运动。 机器人的位置控制是通过数学模型来实现的，这些数学模型用于描述机器人的运动。在模型设计中，通常会做出一些简化假设，例如假设机器人的各段是理想刚体，关节不存在摩擦和间隙，相邻两连杆间只有一个自由度等。直流控制系统原理与数学模型是基于直流电动机的转速调整来设计的，通过具有测速反馈的直流电动机控制原理图来表示。 机器人位置控制的一般结构包括关节空间控制结构和直角坐标空间控制结构。关节空间控制结构主要处理关节变量的控制，而直角坐标空间控制结构则是处理机器人末端执行器（如机械手）在三维空间中的位置和姿态控制。PUMA机器人的伺服控制结构是一个典型的例子，展示了如何实现对机器人各关节的精确控制。单关节位置控制器的结构与模型进一步细化了对单一关节控制的描述，位置控制系统结构图清晰地表达了从控制指令到关节运动的完整过程。 这一章节内容既包含了理论知识，也涵盖了实际应用。通过这样的系统性介绍，使读者能够深入理解机器人的位置和力控制原理，并为进一步研究机器人控制系统打下坚实的基础。同时，也为实际工程应用提供了理论指导和技术路线图。