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专利号: 2023101795039
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混联机构的任务空间新型综合误差快速连续滑模控制方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)以汽车电泳涂装输送混联机构为被控对象,采用解析法对混联机构进行运动学逆解分析,进一步求得混联机构的运动学正解及雅可比矩阵;

2)采用拉格朗日法建立混联机构标准动力学模型及包含关节摩擦、建模误差、外部干扰等不确定性的动力学模型;

3)针对混联机构轮廓误差姿态分量难以在混联机构末端坐标系定量表达的问题,通过使用映射到任务空间末端的混联机构主动关节同步误差姿态分量与末端跟踪误差姿态分量,以交叉耦合的方式,设计一种能反映混联机构轮廓误差姿态分量的间接姿态轮廓误差,进而将现有仅能反映末端位置的位置轮廓误差通过维度扩充成既能反映混联机构末端位置且能间接反映该机构末端姿态的位姿轮廓误差;进一步,将位姿轮廓误差的积分和末端跟踪误差进行综合,在任务空间设立一种新型综合误差;

4)基于步骤3)中设计的混联机构系统新型综合误差,将新型综合误差引入一种快速非线性滑模变量设计,以构建混联机构系统新型综合误差快速非线性滑模面;

5)基于步骤3、4)中设计的混联机构系统新型综合误差与快速非线性滑模变量,将新型综合误差与快速非线性滑模变量引入一种快速连续趋近律设计,以构建混联机构系统快速连续滑模控制切换项;

6)基于步骤2、4、5)中设计的不确定混联机构动力学模型、新型综合误差快速非线性滑模面和快速连续滑模控制切换项,在任务空间设计混联机构任务空间新型综合误差快速连续滑模控制器;

7)通过软件编程,实现混联机构的任务空间新型综合误差快速连续滑模控制;

所述步骤3)具体过程为:

根据混联机构主动关节同步误差与正运动学定义,设计混联机构β方向上的同步误差姿态分量εtβ(t)为

+

εtβ(t)=ΑJH1exi(t) (1)+

式中,εtβ(t)为β方向同步误差姿态分量,J 为雅各比矩阵的逆,Α为行向量[0,0,1],H1为主动关节跟踪误差到主动关节同步误差的转换矩阵,且exi(t)为主动关节跟踪误差,exi(t)=Xid(t)‑Xi(t),i∈[1 ,6] , 为混联机构主动关节期望位移向量,为混联机构主动关节实际位移向量,x1d,x2d,x3d,x4d, 分别为机构六个主动关节的期望位移量,x1,x2,x3,x4, 分别为机构六个主动关节的实际位移量;

任务空间末端的混联机构主动关节同步误差姿态分量εto(t)为T

εto(t)=[εtα(t),εtβ(t),εtγ(t)] (2)式中,εtα(t)、εtβ(t)及εtγ(t)分别为任务空间同步误差姿态在α方向、β方向及γ方向的分量,由于本混联机构末端只有β方向姿态分量,故εtα(t)=εtγ(t)=0,而εtβ(t)则如式(1)所示;

进一步将任务空间末端的混联机构主动关节同步误差姿态分量εto(t)与末端跟踪误差姿态分量eto(t)交叉耦合,设计能反映混联机构轮廓误差姿态分量的间接姿态轮廓误差eco(t)为

T

式中,eto(t)=[etα(t),etβ(t),etγ(t)],etα(t)=etγ(t)=0,eto(t)=qdo(t)‑qo(t),其中qdo(t)和qo(t)分别为混联机构末端期望姿态向量和实际姿态向量,qdo(t)=(αd,βd,γdT T) ,qo(t)=(α,β,γ) ,αd、βd、γd分别为末端期望姿态向量三个方向的分量,α、β、γ分别为末端实际姿态向量三个方向的分量,λ为可调参数;

根据混联机构末端几何定义求出切线估计位置轮廓误差ecp(t)为式中,ecx(t)、ecz(t)为混联机构末端执行器反映末端位置的位置轮廓误差ecp(t)的x、z方向位置分量,由于本混联机构末端只有x、z方向位置分量,故ecy(t)=0;etx(t)、etz(t)为T混联机构末端执行器位置跟踪误差etp(t)的x、z方向位置分量,etp(t)=[etx,ety,etz],etp(t)=qdp(t)‑qp(t),ety(t)=0,其中qdp(t)和qp(t)分别为混联机构末端期望位置向量和实T T际位置向量,qdp(t)=(xd,yd,zd),qp(t)=(x,y,z),xd、yd、zd分别为末端期望位置向量三个方向的分量,x、y、z分别为末端实际位置向量三个方向的位置分量,θ为期望位置对应的切线的倾角;

进一步,将现有仅能反映末端位置的位置轮廓误差ecp(t)通过维度扩充成既能反映混联机构末端位置且能间接反映该机构末端姿态的位姿轮廓误差ec(t)T

ec(t)=[ecp(t),eco(t)] (5)式中,ecp(t)为轮廓误差位置分量,eco(t)为轮廓误差姿态分量;

*

在任务空间设立的新型综合误差e(t)为T

式中,et(t)为混联机构末端位姿跟踪误差,et(t)=[etp(t),eto(t)] =qd(t)‑q(t),qd(t)和q(t)分别为混联机构末端期望位姿向量和实际位姿向量,ξ为可调参数。

2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤4)具体过程为:基于混联机构系统新型综合误差,设计新型综合误差快速非线性滑模变量s=[s1,s2,T

s3,s4,s5,s6]为

式中,α=diag(α1,α2,α3,α4,α5,α6),β=diag(β1,β2,β3,β4,β5,β6),α及β为参数矩阵,其*中α1、α2、α3、α4、α5及α6为非负可调参数,β1、β2、β3、β4、β5及β6为非负可调参数,e (t)为新型综合误差, 为新型综合误差的导数,p,q为奇数,r>1;

对上式求导可得

3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤5)具体过程为:基于设计的混联机构系统新型综合误差与快速非线性滑模变量,将新型综合误差与快速非线性滑模变量引入一种快速连续趋近律设计,以构建快速连续切换项为式中,ρ1、ρ2、k为可调参数,其中ρ1、ρ2为正数,0<k<1,符号项sgn(s)=[sgn(s1),sgnT(s2),sgn(s3),sgn(s4),sgn(s5),sgn(s6)],sgn(s1)、sgn(s2)、sgn(s3)、sgn(s4)、sgn(s5)及sgn(s6)分别为滑模变量的六个分量;

引入不确定混联机构动力学模型为

式中,H(t)为集总扰动,H(t)的单位为N·m,M(q)为惯性矩阵; 为哥氏力和离心力项;G(q)为重力项,Q为广义控制力矩Q的单位为N·m;q(t)为混联机构末端实际位姿向量,为混联机构末端实际速度向量, 为混联机构末端实际加速度向量。

4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤6)中,在任务空间设计混联机构任务空间新型综合误差快速连续滑模控制器为式中,M(q)为惯性矩阵, 为混联机构末端期望加速度向量,ξ为可调参数。