Scara機器人模糊滑模軌跡跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法：不需其精確動力學模型，具有強魯棒性；采用改進的快速終端滑模面，加快了系統(tǒng)的收斂速度，同時消除了傳統(tǒng)終端滑模面的奇異性；采用改進的快速趨近律，既有指數(shù)趨近律遠離滑模面的快速趨近特性，又有冪次趨近律接近滑模面時平滑趨近的特性，在保證軌跡跟蹤精度的同時，提高了跟蹤的速度；采用雙曲正切函數(shù)代替符號函數(shù)，有效地消除了系統(tǒng)的高頻抖振；采用模糊自適應控制器對趨近律的指數(shù)項系數(shù)進行修正，改善了由于系統(tǒng)初始誤差較大而引起的力矩沖擊問題。
【專利說明】SCARA機器人模糊滑模軌跡跟蹤控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及SCARA機器人軌跡跟蹤控制領域，具體是指一種基于改進滑模面和趨近律的模糊自適應滑模控制方法實現(xiàn)對SCARA機器人的快速高精度軌跡跟蹤控制，以及改善滑模系統(tǒng)抖振和改善機器人啟動時力矩沖擊的方法。
【背景技術】
[0002]工業(yè)機器人技術是一門綜合技術，融合了計算機科學、控制理論、空間機構(gòu)學、傳感器技術、人工智能理論等諸多學科。
[0003]工業(yè)機器人系統(tǒng)是一個復雜的多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，具有時變、強耦合和非線性的動力學特性。軌跡跟蹤控制是工業(yè)機器人控制中的一個重要內(nèi)容。機器人軌跡跟蹤控制是指通過給定各關節(jié)的驅(qū)動力矩，使機器人的位置、速度等狀態(tài)變量跟蹤給定的理想軌跡，對于整個軌跡來說，都需要嚴格控制。因此，軌跡跟蹤控制是十分復雜與困難，但也是工業(yè)生產(chǎn)中應用最為廣泛的控制方式。研究機器人軌跡跟蹤控制以及提高軌跡跟蹤控制的速度及精度對機器人技術有著重要的意義。
[0004]考慮機器人運動學和動力學的不確定性可以將機器人控制策略分為兩種:一種是不考慮動力學不確定性的控制策略，用于關節(jié)空間的關節(jié)控制，期望軌跡是在工作空間規(guī)劃的。主要優(yōu)點是控制律簡單，易于實現(xiàn)。但對于控制高速高精度機器人來說，這類方法有兩個明顯的缺點:一是難于保證受控機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，二是需要較大的控制能量。另一種是同時考慮運動學與動力學不確定的控制策略，用這種方法設計的控制器可使被控機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，克服了運動控制方法的缺點。
[0005]滑?？刂撇恍枰辣豢貙ο蟮臄?shù)學模型，但控制中容易出現(xiàn)抖振問題，為了進一步提高滑模控制效果，可以采用自適應模糊滑?？刂?，自適應調(diào)節(jié)滑?？刂频脑鲆?，增強對隨機不確定性的適應能力，來消除在滑?？刂浦械妮斎攵墩瘳F(xiàn)象。但值得關注的是，在跟蹤誤差突變時控制器的大力矩和速度跳變問題，給實際的機器人控制帶來很大弊端，非常容易損壞各關節(jié)的伺服電機。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的是針對機器人軌跡跟蹤控制中跟蹤速度和抖振問題，設計一種基于非奇異快速終端滑模面和模糊快速趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。其在保證抖振抑制效果的前提下，提高了機器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤速度，很好地改善初始階段由于偏差過大引起的力矩沖擊問題。
[0007]為達此目的，本發(fā)明技術方案如下:建立SCARA機器人的動力學模型，根據(jù)動力學方程估算各關節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩，最后得出各關節(jié)的力矩估算公式。通過各關節(jié)的位置誤差e以及位置誤差的變化率?建立改進的快速終端滑模面，加快了系統(tǒng)收斂速度，同時消除了傳統(tǒng)終端滑模面當狀態(tài)變量小于零的奇異性。采用了改進的快速趨近律，加快了遠離滑模面時的趨近速度，同時改善了接近滑模面時趨近的平滑性。為了消除高頻抖振，采用雙曲正切函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)趨近律中的符號函數(shù)。為了改善初始誤差過大而引起的起始階段力矩沖擊問題，采用一個模糊控制來估算趨近律的指數(shù)項系數(shù)k，確定最優(yōu)參數(shù)。整個流程包括:動力學估算模塊、建立滑模面模塊、趨近律模塊、趨近律指數(shù)項系數(shù)調(diào)整模塊、控制力矩計算模塊。
[0008]為達此目的，本發(fā)明技術方案如下:
[0009]第一步，建立SCARA機器人各連桿坐標系，確定各連桿的D-H參數(shù)(ai; Qi,
di; Θ)。由拉格朗日方程:
【權利要求】
1.提出了一種改進滑模面和趨近律的SCARA機器人模糊滑模軌跡跟蹤控制方法:它不需要知道被控對象的具體數(shù)學模型，具有強魯棒性；相比傳統(tǒng)滑模控制提高了跟蹤精度，跟蹤速度，并且有效地消除了系統(tǒng)的抖振；改善由于初始誤差過大而引起的力矩沖擊問題。本發(fā)明首先對SCARA機器人進行動力學建模，估算其慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩；采用了改進的快速終端滑模面，提高了系統(tǒng)的收斂速度，同時消除了傳統(tǒng)終端滑模面的奇異性；同時，本發(fā)明采用改進的快速趨近律，當系統(tǒng)狀態(tài)遠離滑模面時保證趨近的快速性，當系統(tǒng)狀態(tài)接近滑模面時保證趨近的平滑性；引入雙曲正切函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的符號函數(shù)，改善了系統(tǒng)的高頻抖振；采用一個模糊自適應控制器對趨近律的指數(shù)項系數(shù)進行調(diào)整，改善由于初始誤差過大而引起的力矩沖擊問題； 動力學估算模塊I通過建立SCARA機器人動力學方程，根據(jù)機器人坐標變換估算各關節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩的估算值； 建立滑模面模塊2通過各關節(jié)的位置誤差e以及位置誤差的導數(shù)?建立一種改進的快速終端滑模面； 趨近律設計模塊3為了提高遠離滑模面時趨近速度和接近滑模面時趨近的平滑性，設計了一種改進的快速趨近律； 趨近律指數(shù)項系數(shù)模糊調(diào)整模塊4為減弱初始誤差過大而引起的力矩沖擊問題，采用一個模糊控制來調(diào)整趨近律指數(shù)項系數(shù)，確定最優(yōu)參數(shù)； 控制力矩計算模塊5最后算出各關節(jié)的控制輸入τ i來完成機器人的軌跡跟蹤控制，來實現(xiàn)SCARA機器人快速，高精度的軌跡跟蹤控制，以及力矩跳變問題。
2.根據(jù)權利要求1所述改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述動力學建模模塊，估算各個關節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力d Ql Ql矩、重力矩；由拉格朗日方程— 一，i=l，2，…，n，推導出動力學方程:at Oqi Cqi ηη ηTi =YjDJjj+JtCji + YjYdDtjkC1Zik + D1，根據(jù)動力學方程估算出慣性力項、哥氏力項 7=1J=I k-\和重力項D，C，G ;最后得出各關節(jié)的力矩估算公式:T = Dq + Cq + G。
3.根據(jù)權利要求1所述改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述建立改進的快速終端滑模面模塊，通過計算各關節(jié)的位置誤差e和位置誤差的導數(shù)?建立滑模面:s = e + ae + /i |e「sgxx(e) 其中α>0，3>0，2>入>1，對于任意狀態(tài)變量，都不存在&/?和|<0/?的情況，消除了奇異性。
4.根據(jù)權利要求1所述改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:基于傳統(tǒng)的指數(shù)趨近律和冪次趨近律設計了改進的快速趨近律，保證了在遠離滑模面的時候趨近的快速性以及在接近滑模面是趨近的平滑性，并且用雙曲正切函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的符號函數(shù)，有效地消除了系統(tǒng)的高頻抖振，趨近律如下:i = 一ks — h[i|e tank[b*s)其中，h，k>0，l>a>0，b>l。
5.根據(jù)權利要求1所述改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述趨近律指數(shù)項系數(shù)估算模塊，對滑模控制的指數(shù)項系數(shù)進行模糊控制，通過調(diào)節(jié)k來達到:當誤差e及誤差變化率?大的時候盡量減小控制量；反之，則增加控制量。從而保留了原控制算法的好的跟蹤效果，同時改善了機器人啟動時由于誤差過大而引起的力矩沖擊問題。
6.根據(jù)權利要求1所述改進滑模面和趨近律的模糊滑模SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述控制力矩計算模塊，將上面的幾部分組合，關節(jié)的力矩控制輸入為:
【文檔編號】B25J9/16GK103538068SQ201310485377
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權日:2013年10月12日
【發(fā)明者】白瑞林, 許凡, 殷國亮, 過志強 申請人:江南大學, 無錫信捷電氣股份有限公司