[发明专利]一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法

说明书

本发明公开了一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法。方法包括：考虑非线性和外干扰的情况下，建立动力学动力学状态空间模型；动力学动力学状态空间模型输出多自由度机械臂连杆机构连杆机构的每个自由度关节的转角值；根据动力学动力学状态空间模型，使用反步控制法，设计滑模控制器，并建立约束条件；将动力学动力学状态空间模型输出的各个自由度关节的转角值输入滑模控制器中，滑模控制器输出液压系统的输入电压，转化为液压系统的液压阀的阀芯的位移，从而实现对水下多自由度液压机械臂的精准控制。本发明滑模控制方法能够在保证控制水下多自由度液压机械臂系统稳定性的同时，优化机械臂运动控制性能，提高机械臂关节控制精度，降低机械臂末端液压系统的控制误差。

技术领域

本发明涉及一种机械臂的滑模控制方法，属于液压机械臂的运动控制领域，具体涉及一种针对在典型水下环境中工作的多自由度液压机械臂的滑模控制方法。

背景技术

随着社会的发展，工业领域对自动化和智能化的需求日益增加，以多自由度机械臂连杆机构为代表的工业自动化设备越来越广泛地应用于各种工业场合。由于具有较大的输出力矩和较高的功率重量比，液压多自由度机械臂连杆机构在水下作业等实际场景中得到了越来越广泛的应用。然而，在传统水下多自由度液压机械臂作业过程中，更加关注的是指定操作动作完成与否，而其作业的精度却较少被提及。因此，水下多自由度液压机械臂在某些需要更高精度操作的特定场合的应用逐渐受到限制。此外，水下多自由度液压机械臂在作业过程中还常常会受到浪、流等外干扰因素的综合影响。因此现有的控制策略难以保证水下多自由度液压机械臂的控制性能，从而影响机械臂在水下的作业性能。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明针对现有水下多自由度液压机械臂控制技术的不足，提出了一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法，克服水下液压机械臂运动过程中的模型非线性因素(液压缸直动驱动机械臂关节转动)和未知外干扰(海浪、海流等)对机械臂运动控制精度的影响，在保证控制系统稳定性的同时，减小机械臂运动控制误差，提升机械臂整体控制性能。

本发明采用的技术方案是：

本发明滑模控制方法包括如下步骤：

步骤一：在考虑水下多自由度液压机械臂的非线性和未知外干扰的情况下，建立水下多自由度液压机械臂的动力学状态空间模型；水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，动力学状态空间模型输出多自由度机械臂连杆机构的每个自由度关节的转角值。

步骤二：根据动力学状态空间模型，使用反步控制法，设计滑模控制器，并建立滑模控制器的约束条件。

将动力学状态空间模型输出的多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节的转角值输入滑模控制器中，滑模控制器输出液压系统的输入电压，转化为液压系统的液压阀的阀芯的位移，从而实现对水下多自由度液压机械臂的精准控制。

设计的滑模控制器及其约束条件可以在机械臂整体系统稳定的情况下克服水下多自由度液压机械臂的非线性和未知外干扰，优化水下多自由度液压机械臂的控制性能。

所述的步骤一中，水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，多自由度机械臂连杆机构上共有n个自由度关节；液压系统主要包括油箱、液压泵、总供油压力传感器、总回油压力传感器和n个驱动装置，每个驱动装置铰接一个对应的多自由度机械臂连杆机构的自由度关节。

油箱中的液压油流经液压泵后流入每个驱动装置中，进而驱动多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节运动，液压油再经每个驱动装置流回油箱中；通过总供油压力传感器检测流出油箱的总供油压力P_s，即液压泵的供给压力；通过总回油压力传感器检测流回油箱的总回油压力P_r，即整个液压系统的参考压力。