题目：5自由度弧焊机器人运动分析和控制方法研究

本课题来源于北京市科学技术委员会资助项目（HT0100081-2014），研究提出了一种5自由度焊接机器人，主要功能是完成大型工件的焊接任务。控制系统设计过程中参考了市面上常见机器人中的通用功能，研究过程中针对于每一项功能进行了解决方案与算法的设计。主要研究内容分为如下4个部分：

（1）对机器人进行了结构分析。论证了该5自由度机器人作为一种欠自由度结构在焊接工作中的可行性。这种结构使得机器人对于某些复杂的连续空间曲线焊接有着特有的优势，机器人不会因为电缆的缠绕而无法连续焊接作业。

（2）对控制系统进行设计。控制系统硬件包括了工控机、运动控制卡、输入输出模块等。机器人操作软件具有示教、运动仿真、机器人编程、文件管理等功能。三维仿真环境采用XNA平台进行搭建，操作者可以在该环境中进行机器人编程与运动仿真。

（3）对机器人进行了控制算法设计。首先对机器人进行了运动学分析，完成机器人正逆解、雅可比矩阵运算以及工作空间分析。在运动学分析的基础上完成了标定方案的设计与实验，这对于提高机器人轨迹和定位精度有重要的意义。完成了机器人轨迹规划设计，分别对机器人在笛卡尔空间和关节空间进行了运动规划。运动规划中着重考虑了机器人运动平稳性，分别在笛卡尔空间对加速度进行控制，在关节空间进行分段多项式插值，在路径过渡点设计过渡方案。在后续工作中完成了其他的机器人算法设计，实现了工具中心点（TCP）标定、用户坐标系设定、机器人点动等功能。

（4）对机械臂非线性控制中计算力矩法进行研究。为了减小在这种基于动力学模型控制中模型参数误差引起的伺服误差，提出了在控制系统中加入误差补偿项的方法。将误差补偿考虑为有限阶段马尔可夫决策过程，利用线性二次调节器(LQR)通过收集先前动作中的伺服误差信息进行计算得出误差补偿项。该方法适用于做重复工作的机械臂。对该5自由度弧焊机器人采用凯恩方法建立动力学模型，并进行了误差补偿控制控制仿真与实验，证明该方案能够有效减小机械臂伺服误差，提高轨迹精度。