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专利号: 2019102028555
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)以汽车电泳涂装输送用混联机器人为被控对象,采用解析法对该汽车电泳涂装输送用混联机器人进行运动学逆解分析,进一步求得汽车电泳涂装输送用混联机器人的运动学正解及雅克比矩阵;

2)对该机器人末端执行器,即对连接杆中点位姿进行轨迹规划;

3)采用拉格朗日法建立含未建模动态、摩擦力以及外界随机干扰的动力学模型;

4)基于步骤3)中建立的机器人动力学模型,设计一种超螺旋二阶滑模控制器;

5)针对步骤4)中的超螺旋滑模控制的切换增益设计一种新型自适应率;

6)基于步骤3)所建立的动力学模型,设计非线性扰动观测器;

7)基于步骤4)、步骤5)和步骤6)构成自适应鲁棒滑模控制器;

8)通过软件编程,实现汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制。

2.根据权利要求1所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤1)中,采用基于符号运算的微分变换法求解升降翻转机构的雅克比矩阵,得:式中,J为雅克比矩阵;z为连接杆中点在z轴方向上的位姿分量,单位分别为m、rad;L1为第一连杆的长度,单位为m;R、r分别为主动轮半径和从动轮半径,单位均为m。

3.根据权利要求1所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤3)中,建立完整的动力学模型为:式中,M(q)为系统惯性系数矩阵; 为科里奥利力矩阵;G(q)为系统重力矩阵;q=(z,β)T为连接杆中点的位姿参数,其中,z为连接杆中点在Z方向上的位移量,单位为m,β为连接杆中点绕Y轴逆时针转动的角度,单位为rad;

单位为N.m,其中τext为外部扰动,单位为N.m;τ为广义驱动力,单位为N.m;ΔM,ΔC和ΔG分别表示M(q), 和 的不确定性;D(t)为摩擦力项, 单位为N.m,其中Fc为库仑摩擦力矩阵,Bc为粘度系数矩阵, xi(i=1,2,

3,4)分别为四个滑块在x轴方向位置,单位为m, 分别为两个主动轮逆时针转动角度,单位为rad;

该式满足:

1)M是对称且正定的;

2)M-2C是反对称矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤4)中,所设计的超螺旋二阶滑模控制器的滑模面为:其中,连接杆中点的位姿跟踪误差e=(ez(t),eβ(t))T=qd-q,ez(t)为连接杆中点在z方向的位置误差,单位为m,eβ(t)为连接杆中点绕y轴逆时针转动角度的误差,单位为rad,速T度误差向量 qd=(zd,βd) 为连接杆中点的期望位姿,zd、βd分别为连接杆中点在z轴方向上的位姿分量的期望值和绕y轴方向逆时针转动的角度的期望值,单位分别为m、rad, 为连接杆中点期望位姿的速度和加速度向量;滑模变量S=[s1,s2]T,系数矩阵Ks=diag(Ks1,Ks2),Ks1、Ks2为可调参数且满足霍尔伍兹条件,当滑模变量S收敛时,跟踪误差e也随之收敛;

基于上述滑模面,设计超螺旋二阶滑模控制器为

式中,u1为二阶滑模控制律中的非连续项,w=diag(w1,w2)、λ=diag(λ1,λ2)、函数sgn(S)的定义为sgn(S)=[sgn(s1) sgn(s2)]T。

5.根据权利要求1所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤5)中,所设计的超螺旋滑模控制的切换增益的自适应律为:wi=2ρiλi

其中,i=1,2,ωi、γi、μi、ηi、ρi为任意正数,λmi为任意小的正常数;上述变量均为增益自适应律中的可调参数,通过调节上述参数可以改变超螺旋二阶滑模控制器的性能,当|si|超过μi的时候,自适应律会提高控制器的增益λi以提高系统鲁棒性;而当|si|小于μi的时候,自适应律会减小控制器的增益λi以减小控制器输出,从而节省能量并且抑制执行器抖振;本发明采用试凑法选取较小的μi以保证滑模变量的收敛精度,同时当λi小于等于给定的小常数λmi时,自适应增益λi会以一个固定的速率ηi增大。

6.根据权利要求1所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤6)中,所设计的非线性扰动观测器为:式中, 为包含未建模动态、摩擦力以及外界随机干扰等集总扰动项的估计值;L为观测器的增益矩阵, 由观测器的增益矩阵L决定;τ为超螺旋二阶滑模控制器输出,单位为N.m;Z为设计非线性扰动观测器时所用的辅助变量。

7.根据权利要求1所述的一种汽车电泳涂装输送用混联机器人的自适应鲁棒滑模控制方法,其特征在于:所述步骤7)中,所构成的自适应鲁棒滑模控制器的控制律为:wi=2ρiλi

其中,扰动观测器为: