一直以来,机器人以其能够替代人类进行高强度和高危险的工作而得到持续关注和发展。机器人的位置控制一直被认为是机器人控制领域最基本、最简单的目标。随着现代科学技术的飞速发展和工业自动化水平的不断提高,人们对工业机器人的控制精度提出了越来越高的要求。此外,机器人系统作为一个典型的强耦合非线性系统,能为各种新颖的控制算法提供一个很好的试验平台。因此,机器人系统的精密位置控制研究一直是机器人学和工业自动化领域较为活跃的分支。尽管现代控制理论取得了长足的进步,但PD和PID型控制器因其结构简单、控制器参数整定规则明晰和易于工程实现,故一直被绝大部分实际的机器人系统选为主要控制器。另外,我们一般很难从一个实用的机器人系统同时获得关节的位置信息和速度信息,所以研究机器人系统的基于PD和PID控制的输出反馈精密位置控制技术具有非常重要的理论和实际价值。在非线性PD和PID控制框架下,本文提出了几种易于工程实现的输出反馈精密位置控制方法。所提出的输出反馈控制器都具有结构简单和易于实现的优点。本文的具体内容如下:1.鉴于有限时间控制具有能驱动系统的状态在有限时间内趋近于稳定平衡点且能获得高精度系统性能的优点,提出了机器人系统输出反馈有限时间PD加重力补偿(PD+)位置控制策略,应用李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论和几何齐次性技术证明了闭环系统的全局有限时间稳定性。所提出的有限时间控制器能获得更快的响应速度和较好的系统性能。2.在实际工程中,驱动器不可能提供无限制的能量。充分考虑驱动器饱和非线性的影响,提出了输入受限的机器人系统饱和输出反馈有限时间PD+位置控制策略,应用Lyapunov稳定性理论和几何齐次性技术证明了闭环系统的全局有限时间稳定性。非线性饱和函数的恰当引入,使得所提出的控制器具有清晰明确的上界,可以通过先验地选择控制器参数满足确定的条件来有效避免驱动器饱和,进而满足工程实际的需要。所提出的饱和有限时间PD+位置控制策略有效克服了驱动器饱和给控制系统带来的不良影响,同时获得了更快的收敛速度和良好的系统性能。3.摩擦是机器人系统存在的一种不可避免的非线性现象。摩擦的存在会给系统带来很大的不确定性,进而影响机器人系统的高精度运动。针对含摩擦的机器人系统,提出了输出反馈非线性PD+位置控制策略,利用所提出的严格Lyapunov函数,应用Lyapunov直接方法证明了闭环系统的全局渐近稳定性。所提出的控制器能减小非线性摩擦给控制系统带来的不良影响,使得系统具有更好的控制精度。4.上面提出的PD+控制器的实现均需要精确已知重力矢量项。然而,对于一个复杂的机器人系统,要想获得其精确的重力矢量项并不是一件容易的事情。针对含摩擦的机器人系统,提出了独立于模型参数的输出反馈非线性PID位置控制策略,应用Lyapunov直接方法和巴巴拉特(Barbalat)引理证明了闭环系统的全局渐近稳定性。所提出的PID控制器的实现不依赖于任何系统模型信息,且控制器的参数可通过机器人系统的几个众所周知的上界信息即可确定,故其更易于工程实际应用,同时具有较好的控制精度和系统性能。5.数值仿真和实验结果验证了上述控制方法的有效性和系统控制品质的改进性能。