刚柔机械臂自适应反演滑模控制与振动抑制方法研究

【摘要】科技的进步促进了机械臂技术的发展，刚柔机械臂既具有刚性机械臂不易发生弹性变形的优点，又具有柔性机械臂质量轻，可节约因运动而消耗的能量等优点，在很多领域都得到了广泛的应用。例如，太空探索采用空间刚柔机械臂以减少太空探索的能量消耗；军事领域采用刚柔机械臂以保证在恶劣环境下完成较复杂的任务；工业领域利用刚柔机械臂完成高精度的加工作业。刚柔机械臂是由刚性机械臂和柔性机械臂组成的复杂系统，柔性部分会在负载的重力作用下产生弹性变形，弹性变形将影响轨迹跟踪的精度；柔性连杆末端也因机械臂运动时的惯性等原因产生振动；实际刚柔机械臂系统存在的不确定性和外界干扰都会影响控制器的控制性能。要完成对刚柔机械臂系统的轨迹跟踪控制并抑制柔性连杆末端的振动，就要建立系统完备的动力学模型，并设计合理的控制算法。本文以末端带负载的三连杆液压驱动刚柔机械臂为对象，基于Lagrange原理和假设模态法，参照液压伺服系统基本原理，得到系统的动力学方程，研究该系统的轨迹跟踪控制与和振动抑制问题。本文的主要研究内容与工作如下：首先，将刚柔机械臂分为机械臂子系统和液压子系统两部分。针对机械臂子系统，基于Lagrange原理和假设模态法，得到该子系统的动力学模型；针对液压子系统，基于液压伺服系统的基本原理，得到控制电流与力矩、关节角的关系；在这两个子系统的数学模型基础上，利用机械臂子系统和液压子系统之间的Jacobian矩阵，得到刚柔机械臂系统的整体动力学模型。考虑实际刚柔机械臂系统中存不确定性和外部干扰，得到该系统完备的动力学模型。其次，假设不确定性和外界干扰有已知上界，设计了基于切换增益的全局滑模控制器。利用切换增益消除不确定性给系统带来的不利影响；设计全局滑模面保证系统在滑动模态、趋近模态都具有较强的鲁棒性，克服了传统滑模控制在趋近模态鲁棒性较弱的缺点；为削减滑模控制引起控制量的抖振，用饱和函数代替了控制电流中的符号函数。仿真结果验证了控制方法的有效性。再次，考虑到实际工程中的不确定性及外界干扰有未知上界，设计出适用于上界未知时的自适应反演滑模控制器。利用自适应算法估计出不确定性和外界干扰的上界，结合反演滑模控制，完成对刚柔机械臂的轨迹跟踪控制并抑制连杆末端的振动。仿真结果验证了控制方法的有效性。最后，对全文的工作进行了总结，并对下一步的研究内容进行了展望。
【作者】李阳；
【导师】李元春；
【作者基本信息】吉林大学，控制理论与控制工程，2014，硕士
【关键词】刚柔机械臂；滑模控制；自适应反演；轨迹跟踪；振动抑制；

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