[发明专利]一种基于自适应终端滑模控制器的机械臂轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应终端滑模控制器的机械臂轨迹跟踪控制方法，步骤为：1、建立具有n个自由度旋转关节的刚性机械臂系统动力学模型；2、通过光电编码器获取机械臂各关节角度q和角速度的测量信息，设置各关节跟踪的期望角度q_d和期望角速度并计算机械臂轨迹跟踪误差ε₁＝q‑q_d和轨迹跟踪误差对时间一阶导数3、根据ε₁和ε₂建立一种新型非奇异终端滑模面s；4、根据该滑模面s设计出机械臂各关节驱动电机的控制力矩τ，并建立可调整控制增益的自适应率来动态估计系统集总扰动上界。本发明能够在机械臂系统存在参数摄动和力矩干扰等内外部干扰的情况下，基于各关节角度和角速度的测量信息进行实时反馈以实现机械臂轨迹跟踪的精确控制，并保证控制全程的鲁棒性。

技术领域

本发明属于工业机器人控制领域，特别涉及一种基于自适应终端滑模控制器的机械臂轨迹跟踪控制方法。

背景技术

近年来，机器人产业发展迅速，应用范围涉及到军用和民用的各个方面，例如无人机拍摄，扫地机器人和涂漆机械臂等，可以说和人们的生活息息相关。而工业机械臂作为机器人系统的一类典型系统，其控制问题越来越受到学术界关注，成为业界研究热点。工业机械臂系统是一类具有系统参数摄动，外界力矩干扰，摩擦力时变等不确定非线性干扰项的复杂控制系统，其精确系统模型难以得到，故而机械臂轨迹跟踪等控制问题具有一定研究难度。经典的控制方案有：集散控制，非线性反馈控制，自适应控制和滑模控制等。其中，滑模控制因可以设计出强鲁棒性、自适应以及结构简单的控制器而被广大研究人员所推崇。

在机器人控制领域中,滑模控制是一种受到广泛研究和应用的控制方法。但是滑模控制存在着一些应用限制。主要体现在两个方面：一方面，传统终端滑模由于滑模面选取的缺陷，导致设计的控制率中会出现奇异点。换言之，在某些特定的时刻控制率会趋向无穷大，这对实际控制装置来说是无法实现的，也是致命的。解决方法一般有两种，一种是将可能出现奇异点的区域改变控制率，间接避免出现奇异点；另一种是从根本上消除奇异点，即重新选取滑模面，使得该滑模面设计出的控制率不带有奇异点。另一方面，高频切换控制所产生的抖振现象是另一大制约因素。它会使得控制装置产生巨大磨损，严重影响控制器的使用寿命，过大的抖振甚至会影响系统的稳定性。针对这一现象，通常采取的解决方案有：高阶滑模控制，超扭矩算法等。

发明内容

发明目的：针对上述缺陷，本发明提供一种基于自适应终端滑模控制器的机械臂轨迹跟踪控制方法，能够在机械臂系统存在内部参数摄动和外部干扰等非线性不确定项的情况下，基于各关节角度和角速度的测量信息，实现机械臂轨迹跟踪控制，并保证跟踪全程鲁棒性。

技术方案：本发明提出一种基于自适应终端滑模控制器的机械臂轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

(1)建立具有n个自由度旋转关节的刚性机械臂系统动力学模型；

(2)通过光电编码器获取机械臂各关节角度q和角速度的测量信息，设置各关节跟踪的期望角度q_d和期望角速度并计算机械臂轨迹跟踪误差ε₁＝q-q_d和轨迹跟踪误差对时间的一阶导数

(3)建立关于ε₁和ε₂的机械臂状态空间表达式模型；

(4)根据ε₁和ε₂建立一种新型非奇异终端滑模面s；

(5)基于步骤(3)和(4)设计出机械臂各关节驱动电机的控制力矩τ，并建立可调整控制增益的自适应率来动态估计系统集总扰动上界；

进一步的，所述步骤(1)中建立具有n个自由度旋转关节的刚性机械臂系统动力学模型具体步骤如下：