第6卷第3期 智能系统学报 Vol.6 No.3 2011年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2011 doi:10.3969/i.i8sn.1673-4785.2011.03.002 一类欠驱动系统的控制方法综述 孙宁，方勇纯 (南开大学机器人与信息自动化研究所，天津300071) 摘要：近年来欠驱动系统已经成为机器人与自动控制领域的研究热点之一，本文对一类欠驱动系统（欠驱动连杆 系统)的控制方法的研究状况进行了综述.首先给出了欠驱动系统的动力学模型，并介绍了2种基本控制模式；随 后，对其主要的控制方法，包括最优控制方法、运动规划法、部分反馈线性化方法、能量（无源）方法、变量降维法、分 级控制设计方法及智能控制方法，展开了分析与讨论；在此基础之上，对欠驱动连杆控制系统设计存在的抗干扰性、 实用性及快速性等主要问题进行了简要分析，并就今后的研究方向进行了展望，如鲁棒策略、饱和控制与有限时间 控制等. 关键词：欠驱动系统：机器人；智能控制 中图分类号：1P273文献标识码：A文章编号：16734785(2011)03-0200-08 A review for the control of a class of underactuated systems SUN Ning,FANG Yongchun Institute of Robotics and Automatic Information System,Nankai University,Tianjin 300071,China) Abstract:Recently,research on underactuated systems has become a hot topic in the robotics and automation fields.The research status for the control of a class of underactuated systems (termed as underactuated link sys- tems)was reviewed in this paper.Specifically,the system dynamics was presented first,and two basic control modes were introduced.Subsequently,the main control strategies,which include optimal control methods,motion planning methods,partial feedback linearization methods,energy-based methods,state dimension reducing meth- ods,hierarchical control design methods,and intelligent schemes,were analyzed.Finally,some major issues asso- ciated with the control system design for underactuated link systems,such as robustness,practicability,rapidness and so on,were sketched,and corresponding prospects including robust strategy,saturation control and finite time control etc.were proposed for future work. Keywords:underactuated systems;robotics;intelligent control 所谓欠驱动系统，是指独立的控制输入维数少器等，该类系统由于受到非完整约束等的影响，无法 于系统自由度的一类系统，其本质为非线性系统.在 完成侧移等运动；另一类欠驱动系统，主要包括各种 现实中的很多系统都被设计为欠驱动形式，主要是 起重机2（桥式起重机、臂式起重机、塔式起重机）、 因为：1)系统本身的运动受到某种约束，如常见的 倒立摆系统[3]、Furuta pendulum4]、球棒(ball and 非完整约束；2)省去部分驱动器后，一方面可以减 beam）系统5j、TORA(translational oscillator with a 少设计的复杂程度，提高系统的灵活性，另一方面可 rotating actuator）系统I6]、以及Acrobot(Acrobat ro- 有效节约成本，降低系统自身的重量与体积，并减少 bot)[)、Pendubot(pendulum robot)[s]等欠驱动机械 能耗.根据上述2种不同的原因，可以将欠驱动系统 臂，它们的系统状态可看作“连杆”的平移（如倒立 大致分为2类：第一类是运动受限欠驱动系统们， 摆、起重机中的小车与球棒系统中的滑块等的运 如移动机器人、航天飞行器、欠驱动水面和水下航行 动)或旋转（如Acrobot和Pendubot等系统中的旋转 收稿日期：20110331. 臂的转动)，都具有相似的动力学性质，且控制方法 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60875055)；天津市应用基础 及前沿技术研究计划重点项目(08 JCZDJC21800) 非常类似，基于此，不妨将它们统一归类为欠驱动连 通信作者：方勇纯.E-mail:yfang(@robot.nankai.edn.cm. 杆系统.上述2类欠驱动系统在动力学模型、控制模