二自由度关节型机器人的自适应模糊滑模控制

发布时间：2019-10-23 04:03

【摘要】：针对二自由度关节型机器人控制问题,通过分析传统滑模控制的不足,提出一种自适应模糊滑模控制算法。采用自适应单输入单输出模糊系统来计算控制增益,同时设计了基于Lyapunov稳定性理论的自适应律,最后利用Simulink软件对自适应模糊滑模控制进行仿真实验。结果表明,机器人各关节控制力矩的抖振现象明显减弱,系统性能得到提升;自适应算法的加入使模糊滑模控制能在短时间内随着系统状态的变化自动地进行调节,稳态收敛为常数;在关节型机器人参数不确定和存在外界干扰的情况下,自适应模糊滑模控制算法依然具有良好的鲁棒性和跟踪精度。
【图文】：

示意图,关节型机器人,二自由度,动力模型

［４－５］。抖振会影响系统控制的精确性，增加系统能量消耗，甚至会激发系统未建模部分的强烈振动从而危害系统［６］，因此如何削弱抖振是滑模控制研究的重要问题，而将多种控制方法相结合是近年来采用较多的研究思路［７－８］。本文将自适应控制、模糊控制和滑模控制相结合，应用于二自由度关节型机器人控制中，以达到对滑模控制系统中增益的自适应调整目的，从而减弱系统抖振，使机器人能平稳、高精度运行。１传统滑模控制方法１．１二自由度关节型机器人建模二自由度关节型机器人如图１所示。图中，ｇ为重力加速度；连杆１的长度为ｌ１，质量为ｍ１，其质心到关节１的长度为ｌｃ１，转动惯量为Ｉ１；连杆２连同负载可以视为一个整体，其质量为ｍｅ，转动惯量为Ｉｅ，质量中心到关节２的距离为Ｉｃｅ，质量中心与连杆２的夹角为δｅ。图１二自由度关节型机器人示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ２－ＤＯＦａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄｒｏｂｏｔ多关节机器人系统动力模型表达式为：Ｈ（ｑ）ｑ··＋Ｃ（ｑ，ｑ·）ｑ·＋Ｇ（ｑ）＋τｄ＝τ（１）式中：ｑ为关节角位移矢量；Ｈ（ｑ）为机器人惯性矩阵；Ｃ（ｑ，ｑ·）为机器人的离心力和哥氏力矩阵；

关节,位置跟踪,情况

ｓｇｎ（ｓｉ））］－ｓＴＡｓ≤－ｓＴＡｓ≤０（１２）式（１１）可以作为ｓ能量的一种指标。因此，式（１２）保证了当ｓ≠０时其能量的衰减，满足式（５）中的充分条件。１．３仿真实验确定参数：ｍ１＝１．０，ｌ１＝１．０，ｌｃ１＝０．５，，Ｉ１＝０．０８３３，ｍｅ＝３．０，ｌｃｅ＝１．０，Ｉｅ＝０．４，δｅ＝０。采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件对二自由度关节型机器人进行传统滑模控制仿真，结果如图２、图３所示。图２关节１和关节２的位置跟踪情况Ｆｉｇ．２ＰｏｓｉｔｉｏｎｔｒａｃｋｉｎｇｏｆＪｏｉｎｔ１ａｎｄＪｏｉｎｔ２图３关节１和关节２的控制器输出力矩Ｆｉｇ．３Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ’ｓｏｕｔｐｕｔｔｏｒｑｕｅｓｏｆＪｏｉｎｔ１ａｎｄＪｏｉｎｔ２整个仿真过程分为两个阶段。第一阶段，关４４７
【作者单位】：武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室;武汉科技大学机械传动与制造工程湖北省重点实验室;武汉船舶设计研究院有限公司;
【基金】：国家自然科学基金资助项目(51575407,51575338,51575412)
【分类号】：TP242;TP273.4

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