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移动机械手控制研究进展
!
宋佐时，易建强，赵冬斌
（中国科学院自动化研究所 复杂系统与智能科学实验室) 北京) !"""*"）
摘) 要：我国在移动机械手方面所作的工作相对较少，本文针对移动机械手，重点从运动规划、协调控制和多
移动机械手三个方面综述了近年来的发展状况，介绍了涉及的各种问题及相应的处理
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
，同时探讨了这一研究领
域的发展方向和需要解决的问题。
关键词：移动机械手；运动规划；协调控制；多移动机械手
中图分类号：) +,#%) ) ) ) 文献标识码：) -
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移动机械手是由一个或若干个机械手和一个可
移动平台组成，机械手安装在移动平台上，这种结构
使机械手拥有几乎无限大的工作空间和高度的运动
冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于移
动机器人和传统的机械手；另一方面，移动平台和机
械手不但具有不同的动力学特性，而且存在强耦合，
有的移动平台还受非完整约束。因此，研究这类系
统的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。
移动机械手的控制问题是近年来控制界研究的
热点和难点，我国在这方面的研究工作刚刚起步。
对于移动机械手控制方面的研究主要分两大类：一
类是移动平台和机械手的运动规划问题；另一类是
移动平台和机械手的协调控制问题。对一个给定的
工作任务，确定机械手和平台的运动路线是首要问
题。规划工作完成以后，就要采用适当的算法进行
控制，因为移动机械手涉及到平台和机械手两个子
系统，如何协调控制至关重要。此外，多个移动机械
手协同完成任务也有许多实际应用。
D@ 移动机械手运动规划（.=5C=A EF7AACAG =H
I=3CF: I7ACEBF75=64）
所谓规划是指在具有障碍物的环境中按照一定
的评价
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
，寻找一条从起始状态（包括位置及姿
态）到目标状态（包括位置及姿态）的无碰路径。对
移动机械手而言，规划问题涉及机械手规划和平台
规划两部分。平台和机械手的组合使系统具有冗余
性，对同一个任务，既可以通过单独运动机械手或平
台实现，也可以同时运动机械手和平台来实现。此
外移动机械手系统具有复杂的动力学模型、强动力
学耦合以及移动平台可能引入的非完整约束，这些
都使移动机械手的规划问题备受关注，本文介绍现
有的规划方法。
早期的移动机械手规划方法都没有充分发挥移
动机械手的能力或没有考虑移动机械手完整的动力
学模型。有的只限于实现移动或操作一种功能［! 5 #］，
) 第 #( 卷第 ( 期
) #""’ 年 R 月 机器人) !"#"$
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! 基金项目：中国科学院科技创新百人引进计划项目资助P
收稿日期：#""’ 5 "! 5 #(万方数据
有的则忽略动力学特性［! " #］。$%&%&’(’［)］提出保持
机械手可操作度最大的区域为首选操作区（*+,-,++,.
/0,+%(1’2 3,41’2），通过规划平台的运动使机械手处
于首选操作区；5,+%61［7］把移动平台引入的自由度和
多关节引入的自由度同等对待，将整个系统视为一
个冗余机械手，对其进行在线规划；8%++19,+［!］提出用
准则
函数
excel方差函数excelsd函数已知函数 2 f x m x mx m 2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载
将移动机械手规划问题转化为通用的优化
问题，对移动平台和机械手利用不同的代价函数单
独寻优，采用模拟退火的方法得到近似最优解。文
［# " :］提出的优化准则更进一步，考虑了移动平台
的运动代价、机械手的运动代价和机械手偏离优化
位姿时所需的运动代价，采用遗传算法求解。;’<=
>’2［?］给出了移动平台和机械手的点=点规划算法，但
忽略了动力学因素。文［@］的规划问题包括计算平
台的运动控制和机械手的关节位置控制，控制末端
在指定时间内达到任务空间中一个合理的位姿，针
对一种普通的移动机械手，提出了三种雅克比运动
规划算法。A%22,+［B］利用全部状态的不连续反馈控
制律和势场函数实现了平台的规划，但要求势场方
向和平台的可行方向一致。
由于移动机械手是十分复杂的多输入多输出非
线性系统，具有时变、强耦合的非线性动力学特征，
因此在规划时必须考虑系统的动力学特性。在机械
手期望轨迹给定条件下，C91+%［D］采用基于梯度函数
的分层叠代算法进行函数寻优，实现了移动平台的
规划；文［)E］给出的基于事件的在线运动规划方法
适合于点对点规划、多个分块操作和遥操作（A,>,’0=
,+%(1’2）。F<%24［))］分别给出了考虑机械手位姿实现
移动平台的运动规划方法和考虑到移动平台稳定性
实现机械手的运动规划方法。因而，形成了考虑到
车体动力学、机械手操作空间和系统稳定性的平台
运动的最优规划方法。
移动机械手规划是一个富有挑战性的课题。平
台受到非完整约束的性质使非完整系统的规划方法
大多数可用于移动平台的规划，这部分内容可参考
文［#B " #D］。
! " 移动机械手的协调控制（#$$%&’()*’(+
,$(*%$- $. /$0’-1 /)(’23-)*$%4）
移动平台和机械手的组合首先要求有效的协调
移动和操作。对有的平台而言，由于轮子和地面之
间的纯滚动引入的非完整约束使平台的运动方向受
到限制。多连杆机械手和平台的结合造成了整个系
统的冗余性，冗余度的求解是协调控制遇到的第一
问题；同时，移动平台和机械手都有复杂的动力学模
型，且二者之间存在强耦合，此外，移动平台一般质
量重、动力学响应慢；而机械手质量轻、动力学响应
快。这些问题在设计协调控制器时必须考虑的因
素。
机器人的控制研究基本上跟踪了控制理论的发
展动态，对于移动机械手而言，从控制方法可分为两
大类：（)）将系统分为机械手和移动平台两部分处
理；（7）将机械手和平台作为一个整体来看待；从处
理方法上看，涉及到：（)）是否考虑动力学耦合；（7）
考虑耦合时是否对耦合加以补偿；（!）系统的稳定性
问题；（#）平台和机械手的运动形式；（:）是否考虑机
械手末端执行器的力控制问题。上面各种情况是彼
此交织在一起的，下面由简到繁加以综述。
人们研究每一种控制问题时，一般都首先考虑
最简单的情况，移动机械手也是如此。G1,2H［)7］研究
了单杆机械臂通过转动关节与不运动的平台相联接
的情况，讨论了平台动力学对机械臂操作性能的影
响；随后对该模型利用被动控制减小了平台运动对
于机械手控制的影响，但没有考虑平台的控制［)!］。
而文［)］假设机械手已经示教完好，通过控制平台使
机械手处于首选操作区并保持最佳位姿，扩大了机
械手的操作空间；文［)#］在其基础上结合力控制，使
机械手末端跟踪一个运动物体的表面。I,,［):］为平
台选择了一个安全区（5%-,(J 3,41’2），当平台的重心
在安全区内部时，平台保持静止不动，一旦平台的重
心处于安全区边界，平台开始运动，并保持机械手的
初始位姿，控制器类似于质量 "阻尼 "弹簧系统的
设计，上述几种方法的实质都是仅考虑一个子系统
的控制。
控制器的设计过程就是对被控对象的数学模型
的理解过程，因此基于模型的控制即计算力矩控制
是十分有效的，但要求系统精确的数学模型［)?］。由
于移动机械手是十分复杂的非线性系统，难以得到
精确的动力学模型，而且在实际操作中要受到诸如
摩擦力、外界扰动等许多不确定性因素的影响，在控
制器设计时，如果忽略这些因素，控制性能难免要受
影响。对此问题，许多学者作了很有意义的工作，
KL%24,>’H［)@］利用计算力矩控制的思想实现了对受外
部扰动的移动机械手跟踪控制；I1<［)B］提出了一种分
散控制策略，将机械手和移动平台看作两个独立的
系统，分别设计了控制器，把系统的动力学耦合和未
知不确定性都看成外扰，在有界情况下实现系统的
渐近稳定，但只考虑了平台的平动。在不需要系统
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万方数据
动力学先验知识和不确定性的前提下，!"#$%［&’］提出
的鲁棒阻尼控制算法只需要很少的控制参数，而且
控制器是同系统特性无关的，通用的鲁棒阻尼控制
器可以应用在不同的移动机械手系统中；文［()］为
两个子系统各设计一个基于神经网络的控制器，神
经网络用来在线估计系统的动力学耦合、参数和非
参数不确定性，实现了移动机械手关节空间定位控
制；*"+$%［(&］利用非线性交互控制算法进行运动学冗
余度求解，实现了两个控制器的协调，对机械手设计
了鲁棒自适应控制器，对平台设计了 ,- 线性化控制
器。在移动机械手的工作空间中，存在障碍物是难
免的，./0/0121［((］假设机械手期望轨迹上存在障碍
物，并将障碍物用超二次型势场函数代替，机械手子
控制器实现了避障；-%3#$［(4］假设移动平台的运动轨
迹上存在障碍物，根据平台、机械手末端执行器、障
碍物之间的距离为切换面，分别设计了变结构控制
器，不但实现了避障，而且平台和机械手距离可任意
设置，同时轨迹跟踪误差可以任意小。
前面叙述的分散控制固然使控制器设计变得简
单，但由于子系统之间的耦合，控制精度必然要受影
响。因此很多学者把移动平台和机械手看成一个整
体研究系统的协调控制问题。文［(］建立了移动机
械手统一的运动学模型，提出了配置控制（*1$56%+3/7
261$ *1$2318）策略，基本思想是利用冗余性完成一系
列用户定义的附加任务，平台的非完整约束和运动
学冗余性看为新任务的约束，在理论上证明了平台
的引入提高了机械手的可操作度；9/$［&)，(:］建立了移
动机械手统一的动力学模型，一方面，用非线性负反
馈对该模型进行了线性化和解耦，利用基于事件的
控制
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
完成了移动机械手的协调控制，运动学的
冗余度用来同时控制力和位置，保证了存在未知的
障碍物时整个系统的稳定性［&)］；另一方面，利用运动
学冗余度使力和位置控制解耦且处在同一个方向
上，同时分析了冗余和非冗余机器人力控制的区别，
实现了用移动机械手推动一个受非完整约束的小车
的控制［(:］。一般移动机械手的任务只是对机械手末
端给定，平台仅起到定位作用，但在某些特殊场合，
不但要求机械手按照期望的轨迹运动，同时要求平
台按 给 定 移 动，这 种 控 制 问 题 更 具 复 杂 性。
;1$%［(< = (>］在考虑了动力学耦合的情况下，设计了基
于 ?@$/A1B稳定性理论的鲁棒控制器［(<］，此外还分
别给出系统惯性参数不精确已知［(C］和系统受到摩擦
力、外部扰动、参数不确定性［(D = (>］两种情况的鲁棒
控制器设计方法，都保证了全部状态渐近跟踪期望
轨迹。为提高跟踪性能，进一步设计出使跟踪误差
指数收敛的控制器。E/%/$$/2"/$［(’］假定动力学未
知，通过构造一个离散的模糊逻辑系统逼近整个系
统的动力学模型，实现平台和机械手全部状态的位
置和速度跟踪，克服了动力学耦合和外部扰动的影
响，同时考虑了系统的稳定性，但需要满足持续激励
条件。文［4)］研究了比较复杂的情况———两个机械
手在一个平台上协调执行任务，提出任务空间椭球
体的概念，该椭球不但可以反映平台和机械手对任
务所作的贡献，而且它的形状可以反映平台所受的
约束，给出了冗余度的求解。F/$%［4&］研究了惯性力
对机械手姿态控制的影响，作为移动机械手冗余度
求解的一种方法，提出了操作空间中机械手末端惯
性有效性的概念，通过空移动改变有效的惯性，获得
移动机械手衰减的惯性量，对减少同环境碰撞的冲
击力有重要作用。
机械手和移动平台之间的动力学耦合问题对于
系统的性能有较大的影响。9/$［&)］提出了一种扩展
雅可比矩阵转换方法补偿了动力学耦合，但需要动
力学先验知识，./0/0121［4(］不但推导出考虑耦合时
系统的动力学模型，而且利用非线性反馈对耦合进
行集中补偿，通过仿真说明平台运动引起的对机械
手的补偿力对跟踪精度有较大的影响，而机械手运
动引起的对平台的补偿力不能明显地减小跟踪误
差，这个仿真结果验证了平台的动力学响应比机械
手慢的事实。
控制器设计中最重要的问题之一就是稳定性，
一个理论上不稳定地系统是不可实现的。移动机械
手的稳定性问题是相当复杂的，因为不但需要平台
稳定移动，同时需要机械手稳定的执行任务，即要求
操作和稳定的结合，在保证协调控制时必须保证系
统的稳定性。早期人们只通过控制平台重心位置研
究系统的静态稳定性［44 = 4:］；.1$#G/［4<］和 ;+H1IJK［4C］
通过控制平台和地面的相互作用力，讨论了系统的
动态稳定性，但这种方法无法实现离线规划，因为离
线时很难知道平台与地面作用力的大小。L+/$% 对
于此问题进行了深入研究，首先考虑平台运动时调
整机械手使系统稳定的情况［4D］；随后把零力矩点
MNO（M#31 N10#$2 O16$2，机器人所受的地面反力对该
点的合力矩为零的点）的概念加以扩展，提出了有效
稳定区（P/86G !2/H8# Q#%61$）的概念，评价了存在外
界干扰时移动机械手的稳定性［&&］；进一步给出了稳
定补偿范围（ !2/H6862@ *10A#$J/261$ Q/$%#）的概
念［4>］，保证了系统在执行一个完整任务时，通过改变
DC:R 第 (< 卷第 < 期 宋佐时等：R 移动机械手控制研究进展
万方数据
机械手姿态使系统稳定。不但可以使系统稳定时机
械手跟踪给定轨迹，而且在系统不稳定时可以镇定
系统。
!" 多移动机械手的规划与协调控制（#$%&’
&(&) %&* +,,-*(&%.(&) +,&.-,$ ,/ 01$.(2$3
0,4($3 0%&(21$%.,-5）
移动机械手的出现扩大了机械手的操作空间，
扩展了机械手的应用领域，具有更强的操作能力。
如果多个移动机械手或人与移动机械手相互协调完
成如抓取、运送物体等复杂任务，那么将提高生产自
动化程度，将人从繁重的体力劳动中解放出来，因
此，多移动机械手协调无论在理论研究还是实际应
用中具有很重要的价值。这里简单介绍这方面的研
究工作。
针对人和移动机械手协调控制问题。!"#"#$%
&$［’(］对机械手采用力控制和动力学补偿相结合的方
法，对非完整平台采用 )* 线性化控制器，实现了在
没有物体运动轨迹先验知识情况下的人和机械手协
调搬运物体的控制；+,-."./,0［12］进一步研究了移动
机械手和人的主动合作模块设计，实现了利用移动
机械手的目标识别能力搬运物体到人的位置。
34"5［16］针对人和移动机械手完成交换物体这个实际
问题，提出了一种竞争控制结构，思想是定义一系列
控制器，根据实际需要执行的任务，这些控制器通过
竞争使得其中一个发出控制信号，实现对移动机械
手的控制。这些控制器是根据可能发生的任务应用
模糊控制预先设计好的。文［17］考虑的是两个移动
机械手实现协调工作，保证彼此不碰撞而且避免每
个机械手出现奇异位置。文［1’］重点考虑的是人和
机械手共同合作中人身安全问题。
对于两个或两个以上的移动机械手协调完成搬
运物体的任务主要涉及到以下几个问题：（6）机械手
必须保持一个适当的控制力作用在物体上；（7）不同
的机器人之间要有效地进行信息的共享和传递；（’）
不同机器人的控制器应该是独立的；（1）机器人之间
应该有效协调并对位置和模型误差有鲁棒性。基于
行为的控制算法是行之有效的［11］，但在机器人之间
存在强耦合时不能实现期望的性能。因此，许多学
者提出了若干可行方法：8,9":［1;］利用一个集中规划
器对两个平台进行规划，以开环的形式控制平台的
速度，保证机械手稳定抓取物体，规划器和控制器的
设计都转化为最优问题，但该方案无法实现机械手
末端力控制的鲁棒性；<=4"-［1>］将多移动机械手中的
一个看成主机器人，其他的看作从机器人，主机器人
根据传感器信息完成整个多机器人组的路径规划和
力规划并跟踪期望轨迹，从机器人按主机器人的指
令进行运动，实质是一种多移动机器人的分散规划
与控制算法；文［1?］在其基础上建立了移动机械手
的协调框架和控制算法，每个机器人都有独立的控
制器和自主性，机器人之间的协调通过传感器和通
讯来完成，机器人可以通过协作在一个比较拥挤的
环境中搬运物体，且具有自主导航能力。
6" 进一步研究方向（71.1-3 -353%-+8 2-,4’
$305）
移动机械手控制在理论与应用研究上取得了很
多成果，但在某些方面仍不令人满意，因此现存的问
题也正是该领域的研究方向。
从控制器设计上看：移动机械手具有十分复杂
的动力学模型，控制器的设计必须考虑完整的动力
学模型，包括环境变化、未知外扰、避障等不确定性
因素，否则得到的控制器将不能达到期望的性能指
标。从处理方法上看：如采用代价函数法解决规划
问题，应该根据不同的任务选择不同的代价函数，用
不同的寻优方法找到期望解；此外，用智能控制方法
设计移动机械手控制器的文献不是很多，可以考虑
使用。从控制目标上看：设计的控制器应该充分发
挥移动机械手移动和操作相结合的优势，使机械手
和平台同时运动来完成任务。另外，现有许多规划
和控制方法只是通过计算机仿真验证了可行性，没
有在实际的移动机械手系统上试验，因此，移动机械
手的控制问题还有许多有待完成的工作，特别是在
国内还没有实际的移动机械手系统。
总之，移动机械手控制的研究，将随着高速度、
高精度机器人的开发应用，及控制理论、信号处理等
众多相关学科的发展和对移动机械手动力学的进一
步了解，而不断的深入。
参考文献"（93/3-3&+35）
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作者简介：
] 岳] 宏（DE"Y<），男，河北工业大学机器人及自动化研究所
所长，教授，博士生导师0 研究领域：机器人学与机
电控制及自动化技术等0主持完成国家自然科学基
金等课题多项0
（上接第 IYE 页）
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［IE］胡跃明，周其节，裴海龙0非完整控制系统的理论与应用［ Q］0 控
制理论与应用，DEEY，!#（D）：D F DG0
作者简介：
] 宋佐时（DEHH<），男，博士生0 研究领域：机器人，智能控制0
] 易建强（DEY"<），男，博士，研究员，博士生导师0 研究领域：
机器人，智能控制0
] 赵冬斌（DEH!<），男，博士，副研究员0 研究领域：机器人，智
能控制0
GXI ] ] ] ] 机] 器] 人 !GG" 年 E 月
万方数据
浙公网安备 33021202002483