[发明专利]一种喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法。首先对Stewart并联机构进行运动学分析；其次，采用拉格朗日法建立其动力学模型；然后，基于机构的动力学方程，设计一种喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变的模糊自适应滑模控制器，通过滑模控制方法减小惯量、摩擦力等参数变动大、重复性小、并且具有不确定性等因素给系统造成的影响，最后，采用分布式结构构建喷砂除锈并联机器人控制系统，并将控制量发送至电机驱动器中，控制喷枪按期望轨迹运动。本发明提出的喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法，有效提高喷砂除锈并联机器人控制系统鲁棒性，削弱滑模控制抖振。

技术领域

本发明涉及钢箱梁喷砂除锈领域，尤其涉及一种基于Stewart并联机构的喷砂除锈并联机器人控制方法。

背景技术

新修建的大跨径钢桥大多采用钢箱梁。在使用钢箱梁之前，需要对钢箱梁进行喷砂除锈作业，保证钢箱梁的抗腐蚀性。目前对钢箱梁喷砂除锈的方式主要有两种：抛丸机喷砂除锈和人工喷砂除锈。抛丸机主要针对钢箱梁上平面除锈，人工喷砂除锈主要针对钢箱梁的侧面和钢箱梁的复杂曲面(U型肋)除锈。但是传统的喷砂除锈不仅效率低下，喷砂除锈的质量依赖操作员经验，喷砂环境也会给操作员身体健康带来危害。难于满足现代工业制造的需求，实现钢箱梁的自动高效除锈意义重大。为此，一种喷砂除锈并联机器人被研制。但从控制角度，由于喷砂除锈并联机器人实际运行环境复杂且存在建模误差、外部干扰等不确定项干扰，特别是Stewart并联机构关节换向时存在摩擦力突变干扰，因此，本发明提出一种喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法，以实现钢箱梁的高质量高效喷砂除锈。

文献《基于自适应滑模方法的航天器位置与姿态控制》(宋斌等，哈尔滨工业大学学报.2008年)利用自适应律估计不确定项上界，从而调整滑模控制切换增益，进一步保证航天器位置与姿态的渐进跟踪。但对于存在突变干扰的系统，自适应估计能力有限，控制效果有待提高。

文献《基于摩擦模糊建模与补偿的机器人低速控制》(吴文祥等，电机与控制学报.2013年)利用模糊系统的非线性函数逼近性能来辨识摩擦，并进行控制补偿，但不能解决关节过零速时摩擦力突变对机器人控制精度的影响问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，针对喷砂除锈并联机器人的结构特点和喷砂除锈工艺要求，提出一种喷砂除锈并联机器人补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法。通过滑模控制方法减小惯量、摩擦力等参数变动大、重复性小、并且具有不确定性等因素给系统造成的影响，通过基于滑模变量s设计滑模鲁棒自适应项以实时估计不确定项，并替换滑模控制的切换项，以补偿未建模动力学、外部干扰和时变参数等不确定因素的影响，同时有效抑制滑模控制的抖振。进一步，通过基于滑模变量s和滑模变量导数设计模糊控制，实现对滑模鲁棒自适应项增益的动态调节，以补偿摩擦力突变干扰，从而消除Stewart机构关节换向时的轨迹跟踪畸变问题。最后，采用分布式结构构建喷砂除锈并联机器人控制系统，并将控制量发送至电机驱动器中，控制喷枪按期望轨迹运动。

补偿摩擦力突变模糊自适应滑模控制方法的方案，包括如下步骤：

1)采用解析法对喷砂除锈Stewart并联机构进行运动学逆解分析，进一步求得Stewart并联机构动平台到电动缸六支腿的雅可比矩阵；

2)根据钢箱梁喷砂除锈工艺要求，确定喷砂除锈并联机器人末端喷枪的期望运动轨迹；

3)采用拉格朗日方程构建动力学方程，求解喷砂除锈并联机器人整个系统的动力学模型，并将动力学模型拆分为名义模型和建模误差两部分，并对两部分用跟踪位置误差和速度误差定义滑模函数，设计控制律；

4)基于步骤3)所设计的滑模控制律，通过基于滑模变量s设计滑模鲁棒自适应项以实时估计喷砂除锈并联机器人系统不确定项，并替换滑模控制的切换项，以补偿未建模动力学、外部干扰和时变参数等不确定因素的影响，同时有效抑制滑模控制的抖振；