[发明专利]一种柔性机械臂系统高阶滑模抗干扰控制方法

说明书

本发明公开了一种柔性机械臂系统高阶滑模抗干扰控制方法，适用于柔性机械臂系统的高精度位置控制，首先根据柔性机械臂结构建立柔性机械臂的动力学模型，同时考虑电机侧和连杆侧动力学，将机械臂存在的齿隙非线性和模型不确定性作为外部扰动引入到机械臂动力学模型中，建立柔性机械臂四阶动力学模型；针对高阶系统中存在的非匹配扰动设计扩张状态观测器对未知扰动进行实时估计，在此基础上设计高阶滑模控制器并对非匹配扰动进行补偿；针对高阶滑模控制器在平衡点附近存在控制量的较大波动设计了基于扩张状态观测器的高阶滑模控制器，保证机械臂系统位置跟踪性能前提下降低了控制输入量的波动幅值，利于在工程实际中应用。

技术领域

本发明涉及柔性机械臂系统技术领域，尤其涉及一种柔性机械臂系统高阶滑模抗干扰控制方法。

背景技术

随着机器人与人协作的工作越来越多，机器人的安全性也成为了关注的热点问题。机械臂也由传统的刚性机械臂发展到柔性机械臂，为了实现机械臂关节的柔顺性，可以通过在机械臂关节传动链中串联一个弹性元件，构成串联弹性致动器(SEA)。与传统的刚性机器人相比，柔性关节机器人具有更平滑的力传输、和较大的能量传输效率。但在实际应用中，由于关节柔顺性的存在，关节受到扭矩的作用会引起关节弹性制动器的弹性形变，导致机械臂连杆的运动转角不再与其驱动电机转子的运动转角保持一致，从而会影响机械臂控制精度。同时串联弹性致动器低阻尼的特性会使系统的振动难以快速衰减，严重时会激发系统共振导致机械臂损坏，影响控制系统的稳定性；由于柔性关节机械臂的动力学模型是由电机侧动力学模型和连杆侧动力学模型组成，而在实际系统中存在电机侧动力学参数难以得到，连杆侧动力学参数不准确等问题，造成难以精确建立柔性机械臂的动力学模型，增加了控制器设计的难度；在柔性机械臂传动系统中，由于长时间的磨损和运动部件之间的间隙会导致传动齿轮之间不能完全啮合，从而形成严重影响系统控制性能的齿隙非线性问题。当系统驱动部分在齿隙期间时从动部分由于存在大阻尼而保持输出恒定，但当驱动部分跃过齿隙与从动部分接触时，会有明显的冲击碰撞过程，如果不能消除齿隙的影响系统性能会在冲击作用下变的不稳定；针对柔性机械臂的这些特性，国内外学者提出了大量的先进控制策略，如自抗扰控制、滑模控制等。