【机器人】机械臂轨迹和转矩控制对比

动力学控制和轨迹跟踪控制是机器人控制中的两个概念，它们在目标、方法和应用上有所不同，但也有一定关联。以下是它们的区别和联系：

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1. 动力学控制

动力学控制是基于机器人动力学模型的控制方法，目标是控制机器人关节力矩或力，使其达到期望的状态（如位置、速度、加速度）。

特点

• 目标：根据期望的关节轨迹（位置、速度和加速度），计算关节力矩 τ\tau，使机器人沿着期望的轨迹运动。
• 依赖动力学模型：通过动力学方程计算关节力矩，公式为：

适用场景

• 用于高动态性能要求的任务。
• 复杂的操作环境，例如考虑机器人动力学耦合和外部干扰的场景。
• 提供关节力矩控制接口的伺服驱动器或系统。

示例

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2. 轨迹跟踪控制

轨迹跟踪控制的重点是控制机器人沿着给定的轨迹运动。它关注的是末端执行器的位置和姿态是否准确地跟随给定的轨迹。

特点

• 目标：使机器人末端的实际轨迹 跟随期望轨迹 。
• 控制层次：可以基于关节空间（Joint Space）或笛卡尔空间（Task Space）实现。
  • 在关节空间中，轨迹跟踪通过计算每个关节的期望位置。
  • 在笛卡尔空间中，轨迹跟踪控制的是机器人末端的空间位姿。

实现方法

1. 关节空间轨迹跟踪：

   • 给定每个关节的期望轨迹 。
   • 使用位置控制器（如 PID 控制）驱动关节运动。
   • 不一定需要动力学模型。

2. 笛卡尔空间轨迹跟踪：

   • 给定机器人末端在笛卡尔空间中的期望轨迹。
   • 通过逆运动学计算得到关节空间的期望轨迹。

适用场景

• 机器人末端需要执行复杂轨迹任务，例如焊接、绘图、喷涂等。
• 对末端轨迹跟踪精度要求较高。

示例

使用逆运动学计算末端期望位置 所需的关节角 ，然后通过位置控制或动力学控制实现轨迹跟踪。

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3. 两者的区别

特性	动力学控制	轨迹跟踪控制
目标	控制关节力矩 τ\tau 使机器人实现期望轨迹。	控制机器人末端或关节跟随期望轨迹。
依赖模型	需要精确的动力学模型，包括惯性、重力和摩擦等参数。	不一定需要动力学模型，但需要运动学或逆运动学计算。
控制变量	力矩 Tau、力 F。	末端轨迹（位姿）或关节位置 q。
应用场景	动力学建模精确、高动态性能任务（如力控、动态轨迹任务）。	末端任务复杂、轨迹精确要求高（如绘图、喷涂）。
实现难度	实现复杂，需要精确的动力学建模和复杂控制算法。	相对简单，可基于位置控制或运动学计算实现。
对轨迹跟踪的支持	可以通过力矩直接实现轨迹跟踪（高精度）。	轨迹跟踪是核心目标，但控制方法可以多样化（简单或复杂）。

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4. 联系

• 动力学控制是实现轨迹跟踪控制的一个手段：
  • 轨迹跟踪控制可以利用动力学控制器，通过计算关节力矩 Tau 实现期望轨迹。
• 轨迹跟踪控制可以独立于动力学控制，使用简单的 PID 控制器实现（如位置控制）。

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5. 举例对比

动力学控制：

你需要机器人运动得非常流畅，并能考虑到惯性、重力和外部干扰的影响。例如：

• 机器人以高精度抓取快速移动的物体。
• 机器人在轨迹运动中承受非平衡负载（如搬运物品）。

轨迹跟踪控制：

你只需要机器人末端沿着特定路径运动，而不关心内部的动态特性。例如：

• 机器人在平面上画一个正弦曲线。
• 机器人按计划路径运动，但不需要处理动力学耦合。

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总结

• 动力学控制是实现机器人高精度控制的底层手段，通过直接控制力矩来影响运动。
• 轨迹跟踪控制更注重实现末端的路径准确性，是一个更高层的控制目标，可以通过多种方式（动力学控制、位置控制等）实现。