[发明专利]多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种并联机构的运动控制，尤其涉及由交流伺服电动机驱动的冗余并联机构的运动控制。

背景技术

并联机构由于具有刚度大、结构紧凑、承载能力强等优点得到了越来越广泛的应用。采用冗余驱动的并联机构可以避免并联机构的奇异性，从而改善并联机构的性能，但冗余并联机构各支路间存在强耦合，在并联机构高速周期性运动的情况下会严重影响并联机构系统的稳定性和控制精度，而且多自由度冗余并联机构的数学模型难以精确建立，这些都给并联机构的高性能运动控制带来很大的困难。

“虚拟轴机床并联机构的无抖振滑模控制”（高国琴，罗燕等，第29届中国控制会议，2010，pp.5670-5675）一文中提出一种用于六自由度并联机构的光滑滑模控制方法，该方法无需精确建立并联机构的数学模型、易于设计、易于实现，而且克服了传统滑模控制的抖振问题。但是该方法从本质上讲属于各支路独立控制的形式，未能针对虚拟轴机床在机械结构上具有多个运动支链的特点解决多个支链间的耦合协调同步问题，因此不能保证在较高速度时并联机构各支路的运动协调性能。

文献“平面二自由度冗余并联机器人同步控制”（米建伟等，机械科学与技术，第30卷第2期，2011年2月，第279—285页）中提出一种用于平面二自由度冗余并联机构的前馈同步控制，该控制器基于简化动力学模型设计，通过引入同步误差函数，抑制因将惯性力矩阵和离心力矩阵取为常数矩阵所带来的模型不确定性对系统的影响，并保证各个控制关节同步。但其控制器设计仍需依赖其动力学模型，对于多自由度冗余并联机构，尤其是大于二自由度的高自由度冗余并联机构来说，其动力学模型是多参数耦合的复杂系统，难以精确建立，因此该控制方法难以实际实现。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种基于同步误差的多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统，以解决多自由度冗余并联机构各支路之间运动的同步协调性问题，从而进一步提高其运动性能。

本发明采用的一个技术方案如下：

多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法，包括以下步骤：

1）以电动机驱动器和电动机为被控对象，冗余并联机构为负载，建立带干扰项的并联机构各支路的数学模型；

2）根据实际要求对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划获得其期望运动位姿，然后基于冗余并联机构的运动学逆解求解该期望位姿的反解，确定在实现冗余并联机构末端执行器期望运动过程中冗余并联机构各支路驱动电动机的期望运动轨迹；

3）利用增量编码器检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态，并计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差；

4）构建多自由度冗余并联机构各支路的同步误差；

5）构建基于同步误差的开关曲面函数；

6）基于步骤1所建立数学模型，设计同步光滑滑模控制律；

7）计算冗余并联机构各支路电动机驱动控制量；

8）将冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量发送给各个电动机驱动器，驱动冗余并联机构末端执行器实现期望运动。

本发明采用的另一个技术方案如下：

多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制系统，由输入装置、若干并联的支路和并联机构末端执行器组成，所述输入装置输入各支路驱动电动机的期望运动轨迹至对应的支路，各支路输出控制量驱动冗余并联机构末端执行器，每个支路由依次连接的同步误差计算模块、光滑滑模控制器、驱动电机和滚珠丝杠组成，在驱动电机的输出端和同步误差计算模块的输入端之间还设有增量编码器；

所述增量编码器，用于检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态；

所述同步误差计算模块，用于计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差，并根据基于同步误差的开关曲面函数计算各个支路的同步误差；

所述光滑滑模控制器，用于根据同步光滑滑模控制律，计算各个支路电动机驱动控制量。

作为本发明的进一步改进，所述基于同步误差的开关曲面函数为：