基于MATLAB的机器人动力学分析与控制高级应用
目录
1绪论 2
1.1研究背景与研究意义 2
1.2国内外相关领域研究状况综述 3
1.2.1机器人前馈控制研究现状与分析 3
1.2.2工业机器人参数辨识研究现状及分析 6
1.3主要研究内容 7
2机器人动力学建模 8
2.1用拉格朗日方程建立n自由度机器人状态空间模型 8
2.2用牛顿一欧拉迭代法构建机器人动力学线性化模型 9
2.3用拉格朗日方程建立n自由度机器人逆动力学模型 1
2.4运用正动力学对n自由度运动机器人仿真 14
3动力学前馈控制器的设计 14
3.1反馈控制器的选择： 14
3.2前馈控制(补偿)设计 15
4动力学前馈控制性能仿真 16
4.1仿真过程分析 16
4.2仿真结果与分析 19
5文章总结 21
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参考文献 21
1绪论
1.1研究背景与研究意义
工业机器人在现代制造业领域的发展中扮演有重要角色，是糅合机械、电子、控制等专门学科的高精尖自动化装备。欧美国家在该领域的发展处于领先地位，工业机器人技术已臻成熟，是其制造业领域广为应用的标准设备。在日本政府积极的扶植政策和大力的资金支持下，日本机器人产业迅速发展，日本机器人制造商以安川、OTC、川崎等为主。经济新时代，“制造强国”和“工业制造2.0”成为我国制造业发展的战略重心，工业机器人及配套装备需求快速增长，自主知识产权的工业机器人产业发展迎来难得契机(朱启南，汪芷蕾，2022)[1。
实现智能制造，提升综合国力，工业机器人的使用是必不可少的。当前，机器人向高精度高自动化不断迈进。其中，运动性能对机器人工作效率与生产质量影响非常大(潘雨薇，陆游之，2023)。反馈控制系统的作用原理系依照偏差确定控制作用并据此将输出量约束在期望值范畴内，但控制对象滞后严重的，反馈控制作用无法即时生效并对系统输出构成负面影响，导致输出量剧烈波动，进而危及机器人控制性能(魏涵，宋佳怡，2021)。
如可以精准量测且控制引起输出量剧烈波幅的关键外扰动参量，则能够在实现反馈控制的基础上，在这样的环境中藉由外扰信号对输出量作直接控制影响即完成前馈控制，两项控制策略的复合使用，对外界干扰关于系统的影响可起到完全补偿作用，且促进控制精度提升(贺启南，吴美玲，2021)。依照外扰信号采取前馈控制策略的方式，也被称作为扰动控制。参考不变性原理，理论层面来讲，扰动控制能够全部去除系统输出所受主扰动的影响，具有重要意义(何家伟，谢丽萍，2020)。
因此，要实现工业机器人向高速，高精智能化的方向发展，应当基于机器人动力学特性采取对应控制策略(蒋子谦，江雅琳，2019)。遇到这种情况时基于对机器人的特性补偿，采取稳态调整、输出偏差调适等措施，将运动振动约束在可控范围内，进而提高了系统的响应效率和控制精度(江天佑，张峻豪，2018)。为了提高机器人的姿态控制和运动精度，关键措施之一就是设计和实现基于动态
特性的工业机器人控制策略。本文中主要对PUMA560机器人的运动性能进行了研究，以机器人动力学为基础，以MATLAB软件为操作基础，对机器人前馈控制系统进行了设计与仿真研究(高云飞，孙芷晨，2021)。
1.2国内外相关领域研究状况综述
基于动力学模型的先进控制技术，是目前工业机器人行业中公认的可以解决机器人运行过程中的动态特性的控制方法，而基于动力学模型的先进控制技术，很大程度上对于动力学模型的准确性有着很高的要求(赵俊驰，黄景云，2018)。
1.2.1机器人前馈控制研究现状与分析
目前，通过与信息技术的交互和融合诞生了“软件机器人”“网络机器人”的名称，这说明了机器人具有很强的生命力。美国的机器人技术一直处于世界领先水平(赵向福，马睿天，2021)。在1967-1974年间，由于政府对机器人的发展的重视程度不够，且机器人处于发展初期，价格昂贵，适用性不强，导致发展缓慢。
此后，在美国机器人协会、制造工程师协会积极主动地进行推广的前提下，同时以机器人为核心的柔性自动化生产线所具备的优点又适应了美国高效生产、市场多变的需要，从而使机器人技术得到迅猛发展(周志慧，成彦博，2021)。在这般的环境中日本机器人的发展经历了20世纪60年代的摇篮期，70年代的实用期以及80年代的普及、提高期三个阶段。日本东京机械贸易公司于1967年首次从美国AMF公司引进Vetsatran机器人。日本川崎重工业公司于1968年与美国Unimati