机械臂任务空间鲁棒Terminal滑模控制

不确定性和外部干扰是制约机器人控制精度的主要因素,传统Terminal滑模控制方法未能考虑机械臂运动学不确定性。提出一种新的机械臂任务空间鲁棒连续非奇异Terminal滑模跟踪控制方法。该方法具有较强的鲁棒性,能够有效克服运动学不确定性、动力学不确定性和外部干扰,保证机械臂任务空间跟踪误差有限时间稳定,将现有机械臂Terminal滑模控制方法从关节空间扩展到任务空间。通过模型转换,同时考虑机械臂运动学不确定性和动力学模型不确定性。使用矢量和矩阵范数定义,给出系统不确定性的界定方法。运用Lyapunov再设计方法和有界稳定理论,分析系统稳定性,明确给出系统调节时间和跟踪误差剩余集的估计方法。仿真中,通过与现有机械臂关节空间Terminal滑模跟踪控制方法比较,验证了所提方法的有效性。     

漂浮基空间机器人关节协调运动的非奇异终端滑模控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制的单臂空间机器人系统的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性动力学模型。以此为基础,对单臂空间机器人姿态、关节协调运动的控制问题作了研究。考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论,设计了单臂空间机器人姿态、关节协调运动的非奇异终端滑模控制方案。该控制方案不仅可以保证机器人控制系统的稳定性,而且还能使系统在有限时间内实现对所期望运动状态的精确跟踪,同时又可避免普通终端滑模控制中所出现的奇异问题。最后用数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性。     

多机器人系统的编队路径跟踪控制

介绍了一种多机器人系统的编队路径跟踪控制方法。首先将非完整约束机器人的动态方程转化为跟随者和领航员间相对运动模型,克服了非完整约束机器人结构奇异的缺点。随后将滑模控制方法应用于多机器人系统中,分别设计了领航员跟踪希望路径的滑模控制律和跟随者跟踪领航员的滑模控制律。算例仿真表明了应用本文介绍的编队路径跟踪控制律,各机器人能够较快地形成希望的编队,并按希望队形跟踪希望路径。仿真结果验证了此控制方法的有效性。     

基于自适应时延估计的空间机械臂连续非奇异终端滑模控制

针对载体位姿不受控的漂浮基刚性空间机器人系统,提出了一种基于自适应时延估计的连续非奇异终端滑模控制方法.首先针对传统时延估计技术在不同情况下一直使用一固定的动力学方程惯性矩阵估计值,导致系统控制效果退化的问题,利用自适应时延估计方法根据系统状态对该估计值进行调整,引入改进的连续非奇异快速终端滑模补偿自适应时延估计技术带来的误差,保证了滑模面的连续性与系统的非奇异性,同时提高了系统在接近滑模面时收敛速度,提高了系统控制精度.然后选取合适的李雅普诺夫函数进行稳定性分析,证明了控制方法的稳定性.最后用Matlab进行仿真验证,验证了该控制方案的有效性.     

机械臂反演非奇异终端的神经滑模控制

为了解决具有外部干扰以及建模误差的多关节机械臂的轨迹跟踪问题,提出了一种机械臂反演非奇异终端的神经滑模控制方法。采用非奇异终端的滑模面,基于反演方法以及滑模控制的原理,设计了反演滑模控制器。针对由于外部干扰以及建模误差引起的反演滑模控制系统中不确定的因素上界,设计了径向基(radial basis function,简称RBF)神经网络的自适应律,对不确定因素上界进行了在线估计,并对控制系统的稳定性使用了Lyapunov定理进行证明。仿真分析结果表明,所提出的方法不仅可以减少系统中存在的抖振现象,而且具有较好的轨迹跟踪性能和较强的鲁棒性。     

基于FNTFSMC的国产腹腔镜手术机器人轨迹控制

针对国产腹腔镜手术机器人轨迹跟踪控制的关键问题,在动力学模型的基础上,构建了自适应模糊滑模控制系统。该方法采用快速非奇异终端滑模面,确保系统能够在有限时间内收敛,并且避免了控制奇异的问题,同时运用模糊逻辑控制,根据系统误差的变化动态调节滑模切换项的大小,在保留滑模控制鲁棒性的基础上,减小了系统的抖振,提高了被控系统的跟踪精度和鲁棒性。仿真结果显示,所设计的方法具有收敛速度快、稳态精度高、力矩脉动小的特点,能够将位置的收敛时间从0. 6～0. 9 s减小到0. 1 s,稳态误差峰值由0. 035 rad减小到0. 01 rad。针对动物活体组织的实验结果显示,所设计的控制系统能够实现机械手术臂对医生操作信息的准确跟踪,为手术的顺利实施提供了保障。     

基于动静态安全场的机器人避障路径控制仿真研究

针对机器人避障过程中运动路径较长和轨迹跟踪误差较大问题,设计了改进滑模控制系统,并对机器人运动路径和跟踪误差进行仿真验证。分析了动静态安全场环境中的危险源,引用了离散滑模控制系统,采用卡尔曼滤波器对离散滑模控制系统进行改进,给出了机器人末端执行器运动路径控制流程。在不同环境条件下,采用Matlab软件对机器人避障路径跟踪误差进行仿真,并且与滑模控制系统进行比较分析。结果表明:机器人在静态安全场环境中,采用滑模控制器,机器人轨迹跟踪运动路径较长;而采用改进滑模控制器,避障过机器人轨迹跟踪运动路径较短。机器人在动静态安全场环境中,采用滑模控制器,避障运动路径较长,跟踪误差较大;而采用改进滑模控制器,避障运动路径较短,跟踪误差较小。采用改进滑模控制器,机器人自适应调节能力强,从而缩短了机器人运动路径,提高了轨迹跟踪精度。     

移动焊接机器人滑模控制研究

分析了移动焊接机器人的运动学模型,给出了切换函数和滑模控制器的实现过程,利用李亚普诺夫函数论证了系统的稳定性.软件仿真结果表明,针对焊接机器人这类高度非线性和不确定性系统,设计的滑模控制器能达到较好的控制品质且有效的减少了系统抖振问题.     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

自治水下机器人深度的动态Terminal滑模控制的研究

自治水下机器人的深度控制一直是影响其自主性的一个关键因素,文中应用了一种动态Terminal滑模控制方法对自治水下机器人的深度控制进行了具体的分析与研究,并用MATLAB进行了实验仿真,仿真结果证明这个方法对自治水下机器人的深度控制有一定的实用意义。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

Anti-disturbance speed control of low-speed high-torque PMSM based on second-order non-singular terminal sliding mode load observer

This paper presents an anti-disturbance speed control of low-speed high-torque permanent magnet synchronous motor (PMSM) based on the second-order non-singular terminal sliding mode load observer. According to the coordinate transformation theory, the mathematical model of PMSM is established. Subsequently, the second-order non-singular terminal sliding mode observer (SNTSMO) is designed to observe the changes of load disturbance in the PMSM system. The SNTSMO combines the advantages of both high-order sliding mode and non-singular terminal sliding mode to achieve the fast convergence and no chattering. Next, the sliding mode controller (SMC) is designed to achieve speed loop control of PMSM. Then, the anti-disturbance compound speed controller is established on the basis of SMC and SNTSMO, wherein the feed-forward compensation is used to reduce the disturbance from the load. Finally, the numerical simulations and experiments are presented according to the schematic diagram of the designed compound speed controller of PMSM. The results demonstrate that the designed SNTSMO can precisely estimate the load disturbance and suppress the effects of buffeting in the traditional sliding mode observer (SMO). Additionally, the designed compound speed controller of PMSM can achieve smooth speed control in the presence of load disturbance, achieve the purpose of anti-disturbance speed control and further improve the robustness of the control system.     

基于干扰观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制

为了解决某火炮弹丸协调臂电液伺服系统位置控制精度问题和鲁棒性问题,提出了一种基于扰动观测器的弹丸协调臂Terminal滑模控制策略。推导出弹丸协调臂电液伺服系统的动力学方程,将系统的参数不确定性以及外界扰动处理为干扰项。采用指数趋近的干扰观测器进行在线观测并在控制律中进行补偿,提高了系统的鲁棒性。同时为了克服传统滑模控制在线性滑模面条件下状态渐进收敛导致无法在有限时间内到达平衡状态的特点,设计了一种全局快速Terminal滑动模态,使系统在有限时间内到达滑模面,系统状态在有限时间内迅速收敛到平衡状态,最后利用Lyapunov证明全局稳定性。仿真结果证明,该控制策略能对电液伺服系统不确定性和干扰具有很好的鲁棒性,且能明显提高弹丸协调臂动态精度与稳态精度。     

参数不确定柔性机械手的神经滑模控制

通过重新定义系统的输出,将具有不确定性参数的柔性机械手系统分成输入输出子系统与零动态子系统。对输入输出子系统提出神经滑模控制策略,通过满足滑模可达条件对径向基函数(Radial basis function,RBF)神经网络的权值进行在线修正,以逼近系统的非奇异终端滑模控制输入,该方法可有效消除抖振;重新定义的系统输出中的系数,通过将零动态子系统在稳定工作点附近的近似线性化来选取。仿真试验结果表明,该方法实现了柔性机械手点到点的准确控制,消除了柔性机械手末端的弹性振动。     

Sliding mode control of two-wheeled welding mobile robot for tracking smooth curved welding path

In this paper, a nonlinear controller based on sliding mode control is applied to a two-wheeled Welding Mobile Robot (WMR) to track a smooth curved welding path at a constant velocity of the welding point. The mobile robot is considered in terms of dynamics model in Cartesian coordinates under the presence of external disturbance, and its parameters are exactly known. It is assumed that the disturbance satisfies the matching condition with a known boundary. To obtain the controller, the tracking errors are defined, and the two sliding surfaces are chosen to guarantee that the errors converge to zero asymptotically. Two cases are to be considered : fixed torch and controllable torch. In addition, a simple way of measuring the errors is introduced using two potentiometers. The simulation and experiment on a two-wheeled welding mobile robot are provided to show the effectiveness of the proposed controller.     

快速终端滑模控制在并联机器人中的应用

针对二自由度冗余驱动并联机器人,提出了并联机器人的快速终端滑模控制(FTSMC)以实现其鲁棒控制,并利用Lyapunov函数证明了该控制系统的稳定性。仿真结果表明,该控制系统跟踪效果好,系统误差小,可以满足并联机器人控制的要求。与采用普通滑模控制相比,该控制系统具有状态响应速度快,系统状态在有限时间内收敛到零的特点。仿真实验证实了该控制策略的正确性和有效性。     

RBF神经网络滑模变结构控制在并联机器人中的应用

并联机器人系统结构复杂,具有强耦合、非线性等特点。滑模变结构控制对参数不确定性和外部扰动具有强鲁棒性,不需要被控对象精确数学模型且基于该方法的控制器设计过程是自然解耦过程,适用于并联机器人控制,但是滑模控制普遍存在抖振问题。鉴于此,该文提出RBF神经网络与滑模控制相结合的控制方法,利用RBF神经网络对滑模控制器切换项的增益进行调节,可以有效地降低滑模控制的抖振,获得较好的控制效果。仿真结果表明,该控制方法跟踪性能好,系统误差小,具有较强的鲁棒性,可以满足并联机器人的控制要求。     

Adaptive fuzzy sliding mode control for an automatic arc welding system

This paper describes an automatic welding control system developed for alternating current shielded metal arc welding (SMAW). This method could replace manual operations which require a well-trained technician. We have derived a mathematical model of the welding control system and identified the system’s parameters. The sliding surface is used as the input variable to reduce the number of fuzzy reasoning rules, in comparison with the conventional two-dimensional fuzzy logic control (FLC) algorithm. An adaptive fuzzy sliding mode controller (AFSMC) consists of an equivalent control part and a hitting control part. An adaptive law derived from a Lyapunov function is used to obtain the FLC’s parameters, and is applied to approximate the equivalent control part of the sliding mode control (SMC), so that the system states can be forced to zero. By using three-rules FLC, the control part that satisfies the hitting conditions of the SMC can force the system’s states to reach and remain on the sliding surface. Therefore, the stability of the AFSMC can be guaranteed and can be used to modulate the rate of the electrode feeding mechanism that regulates the arc current of the SMAW. The simulation and the experimental results both show that this automatic welding control system, based on the AFSMC, can perform effectively.