[发明专利]一种基于新型扰动观测器的机器人系统滑模控制轨迹跟踪方法

说明书

本发明属于机器人系统轨迹跟踪技术领域，具体涉及一种基于新型扰动观测器的机器人系统滑模控制轨迹跟踪方法，包括以下步骤：建立n关节机器人的动力学模型，初始化系统状态、采样时间和系统参数；通过滤波操作和不变流形来估计系统中存在的扰动，设计了仅具有一个可调节参数的扰动观测器；提出了一种新型滑模面，可以在加速系统收敛的同时有效的抑制系统抖振；而后基于所提出的扰动观测器和滑模面，设计了一种复合滑模控制方法，可以使机器人系统获得更好的动态性能。该方法只需要简单的参数调节即可实现系统快速收敛，并有效地抑制了抖振现象，显著提高了机器人系统的轨迹跟踪控制精度。

技术领域：

本发明属于机器人系统轨迹跟踪技术领域，具体涉及一种基于新型扰动观测器的机器人系统滑模控制轨迹跟踪方法。

背景技术：

机器人系统已广泛应用于汽车制造、医疗康复和救援以及其他领域。但是由于机器人系统是一个复杂的多输入多输出非线性系统，系统中的不确定参数、非线性摩擦和外部的干扰等问题可能会对系统的控制性能产生影响。传统的比例积分微分控制器由于实现难度低，最先被应用于机器人系统的轨迹跟踪控制。然而，线性反馈机制不能良好的解决未知干扰对系统带来的影响，因此开发了许多先进的控制方法，例如自适应控制、模糊控制、自抗扰控制、模型预测控制和滑模控制等。

在上述方法中，滑模控制方案由于其强鲁棒性而被公认为是优质的控制方法。然而，传统的滑模控制方法存在抖振和收敛时间不确定的问题。为了加速系统的收敛，终端滑模控制方案被提出，但是滑模面中存在的指数项致使其在定义域中存在奇点；而后中国专利CN109951121A提出了一种非奇异终端滑模控制方法，克服了终端滑模中的奇异性问题，但是当系统收敛到平衡点附近时，它的收敛速度会变慢；中国专利CN115562006A公开了一种非奇异快速终端滑模控制方案，通过将误差转换可以实现快速收敛的同时也能够抑制系统产生抖振现象。

上述提出的方法虽然可以提高系统的性能，但一些未知系统动态的影响仍然是不可避免的。为了解决这个问题，已经有多种观测器被提出，例如扰动观测器和非线性扰动观测器。中国专利CN115047891A中设计的扩展状态观测器可以针对系统的集中不确定性获得更好的跟踪结果。然而，所有这些方法都需要计算系统输出的加速度信号，这在实际应用中通常是无法直接被获取的。

发明内容：

本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提出一种基于新型扰动观测器的机器人系统滑模控制轨迹跟踪方法，通过将扰动观测器和新型滑模面结合，能够在保证系统快速收敛的同时有效地抑制系统的抖振。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于新型扰动观测器的机器人系统滑模控制轨迹跟踪方法，包括以下步骤：

S1、建立n关节机械臂的动力学模型，初始化系统状态、采样时间和系统参数，过程如下：

S1.1设期望的n关节串联机械臂末端位姿信息为P，P∈R^4×4，由机械臂逆运动学将末端位姿信息P解算为各关节的期望关节角q_d，q_d∈Rⁿ即q_d＝[q_1d,q_2d,…,q_dn]^T，Rⁿ表示n维矩阵；

S1.2建立n关节串联机械臂的动力学模型：

公式(1)中，q、和分别表示位移、速度和加速度矢量，τ_l∈Rⁿ是输入力矩，M(q)＝M₀(q)+ΔM(q)∈R^n×n是对称惯性矩阵，M₀(q)＞0是惯性矩阵的标称截面，为已知确定部分，ΔM(q)是不确定部分，表示科氏力矩向量，G(q)∈Rⁿ表示重力扭矩，d表示未知的外部干扰；根据M₀(q)矩阵的非奇异性，公式(1)改写为