相对于常规轻载工业机器人而言,重载机器人为了实现高速、高精度、高负载等典型性能需求,对控制系统的性能提出了更高的要求。由于重载机器人运动惯量较大,传统的PID闭环控制输出力矩无法满足其在高速重载运动过程中关节期望输出力矩快速、实时变化的需求。同时,随着重载机器人负载自重比的不断增大,其柔性元件的特性更加明显,导致系统在启动、停止以及速度突变情况下产生弹性振动,影响其轨迹跟踪精度,甚至可能导致系统失稳。在此背景下,本文以江苏省科技成果转化专项资金项目“高速重载工业机器人核心技术研发及产业化(BA2015004)”为依托,开展了150KG重载机器人刚柔耦合动力学建模与补偿控制等关键技术研究。主要内容如下:为了获取精确的六自由度重载机器人动力学模型,本文首先采用迭代牛顿-欧拉法对其动力学模型进行了理论推导。在此基础上,以条件数为性能指标,设计了一种基于改进型有限项傅里叶级数形式的周期性激励轨迹优化生成方法,对理论模型中存在的未知动力学参数进行精确辨识,由此建立起准确的重载机器人动力学模型。此外,设计了一种负载惯性参数辨识方法,在机器人本体动力学模型的基础上进一步考虑了负载效应的影响,以建立重载机器人带载工况下的完整动力学模型。针对传统PID闭环控制用于重载机器人所存在的控制精度较低、动态性能较差等问题,本文研究并实现了一种基于动力学模型的力矩前馈控制方法,通过所辨识的动力学模型计算出机器人各关节期望输出力矩值,并与电流环中的控制输出进行叠加以实现力矩的实时补偿,从而可有效提高机器人的轨迹跟踪精度,改善动态性能。同时,为了解决末端负载给高速运动的重载机器人所带来的控制精度降低问题,提出了一种基于负载惯量匹配的力矩补偿控制方法,从而有效提高重载机器人带载工况下的控制精度。针对由于关节柔性而导致的重载机器人关节弹性振动问题,本文提出了一种结合状态观测器和奇异摄动理论的关节弹性振动抑制复合控制方法。首先在考虑关节柔性的情况下,建立重载机器人刚柔耦合动力学模型;在此基础上,设计了一种高增益状态观测器,无需借助外部传感器,根据电机侧角度、角速度和输出力矩,对机器人连杆侧角速度等状态变量进行了实时观测;然后采用奇异摄动法将复杂的高阶刚柔耦合动力学模型转化为降阶子系统,对所获得的快、慢子系统分别设计了速度差值反馈控制律和PID控制律,并结合李亚普洛夫稳定性理论给出了系统稳定性证明,以有效地抑制了机器人的关节弹性振动,进一步提高其轨迹跟踪精度。在上述研究的基础上,本文以与企业合作自主研发的150KG重载机器人为研究对象,对所研究的机器人本体动力学模型参数辨识、负载惯性参数辨识、力矩前馈控制、负载补偿控制和关节弹性振动抑制等内容进行了实验研究并取得了较好的实验效果,验证了本文所提出方法的可行性和有效性,表明了本文针对重载机器人的相关研究具有一定的工程应用价值。