[发明专利]一种柔性机械臂的组合滑模运动控制方法

说明书

本发明公开了一种柔性机械臂的组合滑模运动控制方法。在多时间尺度下，研究带有扰动及系统不确定性的柔性机械臂的运动控制问题。由于柔性机械臂具有多时间尺度特性，应用传统方法设计控制器容易导致病态数值问题，基于奇异摄动理论，将柔性机械臂建模为带有奇异摄动参数的奇异摄动系统并将其分解为描述刚体运动和柔性振动的快、慢子系统。慢时间尺度下，考虑外界扰动及参数不确定性对系统影响，设计带有扰动观测器的自适应滑模控制器(慢控制器)实现对柔性机械臂的轨迹跟踪。快时间尺度下，为消除未建模动态及慢时间尺度下振动状态等对控制器设计影响，设计鲁棒滑模控制器实现对柔性振动抑制。最后，利用奇异摄动理论将慢控制器与快控制器组合，实现轨迹跟踪和振动抑制的双重控制目标。实验结果表明该方法鲁棒性强控制效果好。

技术领域

本发明涉及柔性机械臂的控制技术领域，特别是一种柔性机械臂的组合滑模运动控制方法。

背景技术

先进制造技术的发展对机器人性能提出了更高的要求，各种轻质材料不断应用到机器人生产制造当中。柔性机械臂由于具有质量轻、探测范围广、运行速度快等优点成为当前研究热点。然而，柔性的存在大大降低系统结构阻尼，使其在运动过程中不可避免的带来柔性振动问题。柔性振动不能得到有效抑制，容易造成轨迹跟踪和控制精度降低，甚至产生共振造成系统失效。因此，研究柔性机械臂的运动控制问题，既包含提高柔性机械臂末端轨迹跟踪定位精度，还应包含对柔性机械臂柔性振动的快速抑制。

由于柔性机械臂不同位置振动随时间变化不同，使得柔性机械臂运动方程是与时间、位置相关的分布式耦合偏微分方程形式，具有无穷维、非线性、耦合度高等特性，难以直接求解。一般先通过Newton-Euler法、Lagrange法等建立偏微分动力学方程，进而利用Assumed-mode法、有限元(段)法等描述柔性振动，将系统转化为常微分方程，大大降低控制器设计难度。已有方法多将带有柔性特征的机械臂作为整体考虑，通过忽略臂杆柔性或将柔性视为外界扰动直接设计控制器，取得很好的控制效果，该方法控制器设计过程往往需要同时、主观确定多个控制器参数，使得控制器设计过程复杂、增加设计难度。

柔性机械臂具有多时间尺度特性，将柔性机械臂建模为带有奇异摄动参数的奇异摄动系统并将其分解为描述刚体运动和柔性振动的快、慢子系统，针对分解后的快、慢子系统分别设计控制器，将二者组合，跟踪精度高、控制效果好。实验结果表明，利用奇异摄动方法设计控制器具有较好的控制效果，然而多没有考虑外界扰动和参数不确定性对系统影响，抗干扰能力差。且该方法大多基于Assumed-mode法利用前两阶模态描述柔性机械臂振动，没有考虑高阶模态及分解过程慢振动状态对系统设计影响。因此，设计一种考虑外界扰动和参数变化的柔性机械臂运动控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性机械臂的组合滑模运动控制方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种柔性机械臂的组合滑模运动控制方法，包括：

步骤1：基于奇异摄动理论，将柔性机械臂建模为带有奇异摄动参数的奇异摄动系统并将其分解为描述刚体运动和柔性振动的快、慢子系统；

步骤2：慢时间尺度下，设计带有扰动观测器的自适应滑模控制器即慢控制器实现对柔性机械臂的轨迹跟踪；

步骤3：快时间尺度下，设计鲁棒滑模控制器即快控制器实现对柔性振动抑制；

步骤4：利用奇异摄动理论将慢控制器与快控制器组合，实现轨迹跟踪和振动抑制的双重控制目标。

基于奇异摄动理论，将柔性机械臂建模为带有奇异摄动参数的奇异摄动系统并将其分解为描述刚体运动和柔性振动的快、慢子系统。

慢时间尺度下，考虑外界扰动及参数不确定性对系统影响，设计带有扰动观测器的自适应滑模控制器(慢控制器)实现对柔性机械臂的轨迹跟踪。