论文总字数：32746字

摘 要

机器人是一个具有高度非线性和强耦合性的系统，其控制问题往往比较复杂。而现代工业的快速发展对工业机器人的性能提出了更高的要求，轨迹跟踪控制是机器人控制中的重要方面。设计合理高效的轨迹跟踪控制算法，使得机器人快速、稳定地按照指定的轨迹运行，是一个值得不断探索的领域，这对提高工业机器人的控制精度和运动的稳定性、安全性都具有重要的意义。

为了实现机器人的轨迹跟踪控制，本文首先建立了机器人的数学模型。以n自由度的工业机器人为对象，利用Euler-Lagrange方法建立机器人的动力学模型，然后分析了机器人系统中存在的干扰和不确定性的类型和影响，为轨迹跟踪的控制算法设计打下模型基础。

接着，在对现有的反馈线性化控制方法、滑模控制算法和干扰观测器进行研究的基础上，本文提出了带有广义比例积分干扰观测器的复合滑模控制算法以减小抖振和控制耗能，并利用双关节机器人进行了上述几种控制算法的仿真验证和性能比较，表明了本文提出的算法能够在保证优越的控制效果的同时有效地减少抖振和控制所需的能量。

关键词：机器人，轨迹跟踪，干扰观测器，广义比例积分观测器，滑模控制

Abstract

Robot is a nonlinear and coupled system, and its control problem is often complex. The rapid development of modern industry puts forward higher requirements for the performance of industrial robots. Trajectory tracking control is an important aspect of robot control. It is a field worth exploring to design a reasonable and efficient trajectory tracking control algorithm to make the robot run in accordance with the specified trajectory quickly and stably, which is of great significance for improving the control accuracy, movement stability and safety of industrial robots.

In order to realize the trajectory tracking control of the robot, firstly the mathematical model of the robot is established. Taking the industrial robot with n degrees of freedom as an example, the dynamic model of the robot is established by using the Euler-Lagrange method, and then the types and effects of the interference and uncertainty existing in the robot system are analyzed, which lays a foundation for the design of the control algorithm of trajectory tracking. On the basis of studying the existing feedback linearization control algorithm, sliding mode control algorithm and disturbance observer, a composite sliding mode control algorithm with generalized proportional integral disturbance observer is proposed to reduce the energy required for control. The simulation of the above control algorithms is carried out by using a double-joint robot, which proves that the proposed algorithm can effectively reduce the energy required for control while ensuring superior control effect.

KEY WORDS: Robot, Trajectory Tracking, Disturbance Observer, Generalized Proportional Integral Disturbance Observer, Sliding Mode Control

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 机器人轨迹跟踪控制算法研究现状 1

1.2.1 机器人控制算法简介 2

1.2.2 机器人控制算法研究现状 3

1.3 本文的主要研究内容及安排 4

第二章 机器人模型的建立 6

2.1 机器人动力学分析 6

2.1.1 机器人动力学方程推导 6

2.1.2 机器人动力学特性 9

2.2 机器人中的干扰/不确定性 9

2.3 本章小结 10

第三章 机器人轨迹跟踪控制算法设计 11

3.1 滑模变结构控制算法介绍 11

3.1.1滑模控制原理 11

3.1.2 二阶积分系统的滑模控制算法设计 13

3.2 基于滑模变结构的机器人控制算法设计 15

3.3 非线性干扰观测器设计 17

3.3.1 干扰观测器（DO）原理及设计 17

3.3.2 广义比例积分观测器（GPIO）原理及设计 18

3.4 基于DO/GPIO的复合滑模控制算法设计 19

3.5 对比算法介绍——反馈线性化控制（FLC） 21

3.6 本章小结 23

第四章 机器人轨迹跟踪控制算法仿真验证 24

4.1 滑模控制仿真 25

4.2 基于DO的复合滑模控制仿真 27

4.3 基于GPIO的复合滑模控制仿真 29

4.4 反馈线性化控制仿真 33

4.5 仿真结果分析 35

第五章 总结与展望 37

5.1 内容总结 37

5.2 工作展望 37

参考文献 38

致 谢 40

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

机器人融合了控制、机械、计算机等多个学科的先进技术，它是人类二十世纪以来的一项重要发明。自从1962年美国的AMF公司研制出世界上第一台实用工业机器人“UNIMATE”以来^[1]，工业机器人相关技术及产品发展迅速，已经成为了当今制造行业重要的自动化工具。

图1-1 世界上第一台工业机器人UNIMATE

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