Scara机器人模糊滑模轨迹跟踪控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法：不需其精确动力学模型，具有强鲁棒性；采用改进的快速终端滑模面，加快了系统的收敛速度，同时消除了传统终端滑模面的奇异性；采用改进的快速趋近律，既有指数趋近律远离滑模面的快速趋近特性，又有幂次趋近律接近滑模面时平滑趋近的特性，在保证轨迹跟踪精度的同时，提高了跟踪的速度；采用双曲正切函数代替符号函数，有效地消除了系统的高频抖振；采用模糊自适应控制器对趋近律的指数项系数进行修正，改善了由于系统初始误差较大而引起的力矩冲击问题。
【专利说明】SCARA机器人模糊滑模轨迹跟踪控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及SCARA机器人轨迹跟踪控制领域，具体是指一种基于改进滑模面和趋近律的模糊自适应滑模控制方法实现对SCARA机器人的快速高精度轨迹跟踪控制，以及改善滑模系统抖振和改善机器人启动时力矩冲击的方法。
【背景技术】
[0002]工业机器人技术是一门综合技术，融合了计算机科学、控制理论、空间机构学、传感器技术、人工智能理论等诸多学科。
[0003]工业机器人系统是一个复杂的多输入多输出的非线性系统，具有时变、强耦合和非线性的动力学特性。轨迹跟踪控制是工业机器人控制中的一个重要内容。机器人轨迹跟踪控制是指通过给定各关节的驱动力矩，使机器人的位置、速度等状态变量跟踪给定的理想轨迹，对于整个轨迹来说，都需要严格控制。因此，轨迹跟踪控制是十分复杂与困难，但也是工业生产中应用最为广泛的控制方式。研究机器人轨迹跟踪控制以及提高轨迹跟踪控制的速度及精度对机器人技术有着重要的意义。
[0004]考虑机器人运动学和动力学的不确定性可以将机器人控制策略分为两种:一种是不考虑动力学不确定性的控制策略，用于关节空间的关节控制，期望轨迹是在工作空间规划的。主要优点是控制律简单，易于实现。但对于控制高速高精度机器人来说，这类方法有两个明显的缺点:一是难于保证受控机器人具有良好的动态和静态品质，二是需要较大的控制能量。另一种是同时考虑运动学与动力学不确定的控制策略，用这种方法设计的控制器可使被控机器人具有良好的动态和静态品质，克服了运动控制方法的缺点。
[0005]滑模控制不需要知道被控对象的数学模型，但控制中容易出现抖振问题，为了进一步提高滑模控制效果，可以采用自适应模糊滑模控制，自适应调节滑模控制的增益，增强对随机不确定性的适应能力，来消除在滑模控制中的输入抖振现象。但值得关注的是，在跟踪误差突变时控制器的大力矩和速度跳变问题，给实际的机器人控制带来很大弊端，非常容易损坏各关节的伺服电机。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对机器人轨迹跟踪控制中跟踪速度和抖振问题，设计一种基于非奇异快速终端滑模面和模糊快速趋近律的滑模变结构控制策略。其在保证抖振抑制效果的前提下，提高了机器人系统的轨迹跟踪速度，很好地改善初始阶段由于偏差过大引起的力矩冲击问题。
[0007]为达此目的，本发明技术方案如下:建立SCARA机器人的动力学模型，根据动力学方程估算各关节的惯性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩，最后得出各关节的力矩估算公式。通过各关节的位置误差e以及位置误差的变化率?建立改进的快速终端滑模面，加快了系统收敛速度，同时消除了传统终端滑模面当状态变量小于零的奇异性。采用了改进的快速趋近律，加快了远离滑模面时的趋近速度，同时改善了接近滑模面时趋近的平滑性。为了消除高频抖振，采用双曲正切函数代替传统趋近律中的符号函数。为了改善初始误差过大而引起的起始阶段力矩冲击问题，采用一个模糊控制来估算趋近律的指数项系数k，确定最优参数。整个流程包括:动力学估算模块、建立滑模面模块、趋近律模块、趋近律指数项系数调整模块、控制力矩计算模块。
[0008]为达此目的，本发明技术方案如下:
[0009]第一步，建立SCARA机器人各连杆坐标系，确定各连杆的D-H参数(ai; Qi,
di; Θ)。由拉格朗日方程:
【权利要求】
1.提出了一种改进滑模面和趋近律的SCARA机器人模糊滑模轨迹跟踪控制方法:它不需要知道被控对象的具体数学模型，具有强鲁棒性；相比传统滑模控制提高了跟踪精度，跟踪速度，并且有效地消除了系统的抖振；改善由于初始误差过大而引起的力矩冲击问题。本发明首先对SCARA机器人进行动力学建模，估算其惯性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩；采用了改进的快速终端滑模面，提高了系统的收敛速度，同时消除了传统终端滑模面的奇异性；同时，本发明采用改进的快速趋近律，当系统状态远离滑模面时保证趋近的快速性，当系统状态接近滑模面时保证趋近的平滑性；引入双曲正切函数代替传统的符号函数，改善了系统的高频抖振；采用一个模糊自适应控制器对趋近律的指数项系数进行调整，改善由于初始误差过大而引起的力矩冲击问题； 动力学估算模块I通过建立SCARA机器人动力学方程，根据机器人坐标变换估算各关节的惯性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩的估算值； 建立滑模面模块2通过各关节的位置误差e以及位置误差的导数?建立一种改进的快速终端滑模面； 趋近律设计模块3为了提高远离滑模面时趋近速度和接近滑模面时趋近的平滑性，设计了一种改进的快速趋近律； 趋近律指数项系数模糊调整模块4为减弱初始误差过大而引起的力矩冲击问题，采用一个模糊控制来调整趋近律指数项系数，确定最优参数； 控制力矩计算模块5最后算出各关节的控制输入τ i来完成机器人的轨迹跟踪控制，来实现SCARA机器人快速，高精度的轨迹跟踪控制，以及力矩跳变问题。
2.根据权利要求1所述改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是:所述动力学建模模块，估算各个关节的惯性力矩、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，推导出动力学方程:at Oqi Cqi ηη ηTi =YjDJjj+JtCji + YjYdDtjkC1Zik + D1，根据动力学方程估算出惯性力项、哥氏力项 7=1J=I k-\和重力项D，C，G ;最后得出各关节的力矩估算公式:T = Dq + Cq + G。
3.根据权利要求1所述改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是:所述建立改进的快速终端滑模面模块，通过计算各关节的位置误差e和位置误差的导数?建立滑模面:s = e + ae + /i |e「sgxx(e) 其中α>0，3>0，2>入>1，对于任意状态变量，都不存在&/?和|<0/?的情况，消除了奇异性。
4.根据权利要求1所述改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是:基于传统的指数趋近律和幂次趋近律设计了改进的快速趋近律，保证了在远离滑模面的时候趋近的快速性以及在接近滑模面是趋近的平滑性，并且用双曲正切函数代替传统的符号函数，有效地消除了系统的高频抖振，趋近律如下:i = 一ks — h[i|e tank[b*s)其中，h，k>0，l>a>0，b>l。
5.根据权利要求1所述改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是:所述趋近律指数项系数估算模块，对滑模控制的指数项系数进行模糊控制，通过调节k来达到:当误差e及误差变化率?大的时候尽量减小控制量；反之，则增加控制量。从而保留了原控制算法的好的跟踪效果，同时改善了机器人启动时由于误差过大而引起的力矩冲击问题。
6.根据权利要求1所述改进滑模面和趋近律的模糊滑模SCARA机器人轨迹跟踪控制方法，其特征是:所述控制力矩计算模块，将上面的几部分组合，关节的力矩控制输入为:
【文档编号】B25J9/16GK103538068SQ201310485377
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】白瑞林, 许凡, 殷国亮, 过志强 申请人:江南大学, 无锡信捷电气股份有限公司