快速终端滑模控制在并联机器人中的应用

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机械设计与制造

ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

第４期

２０１０年４月

文章编号：１００１—３９９７（２０１０）０４－０１５６—０２

快速终端滑模控制在并联机器人中的应用

邬燕忠高国琴严琴

（江苏大学电气信息工程学院，镇江２１２０１３）

Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆａｓｔｔｅｒｍｉｎａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｔｏｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔ

ｗＵＹａｎ－ｚｈｏｎｇ，ＧＡＯＧｕｏ－ｑｉｎ，ＹＡＮＱｉｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）

【摘要】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（Ｆ１ｓＭｃ）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她『生。

关键词：并联机器人；快速终端滑模控制；控制策略；仿真

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ａｉｍ／ｎｇａｔ２－ＤＯＦｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔｗｈｉｃｈｉｓｄｄｖｅｄｂｙｓｅｒｖｏＡＣｍｏｔｏｒ，ｆａｓｔｔｅｒｍｉｎａｌｓｌ谢ｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｉｔｓｒｏｂｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｔｈｅａｓｙｍｐｔｏｔｉｃａｌｓ￡曲ｉＺ一勿ｏｆｔｈｅｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｓｙｓｔｅｍｉｓｇｕａｒａｎｔｅｅｄｕｓｉｎｇＬｙａｐｕｎｏｖｍｅｔｈｏｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎ－ｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｏｆｔｒａｃｋｉｎｇｓｌｉｄｉｎｇｔａｋｅｓｇｏｏｄｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｅｒｒｏｒｉｓｓｍａｌｌ，ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏ｜ｒｏｂｏｔｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｇａｉｎｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｙｅｒｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｈｉｃｈｓｔａｔｅｓｒｅｓｐｏｎｄｑｕｗｋ纱，ｓｙｓｔｅｍｓｔａｔｅｓａｌｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔｉｎｓｔａｔｅｄｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｅｆｆｅｃｔ＆ｅｎｅｓｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐａｒａｌｌｅｌｒｏｂｏｔ；Ｆａｓｔｔｅｒｍｉｎａｌｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ中图分类号：ＴＨｌ６，ＴＰ２４２文献标识码：Ａ

１引言

并联机器人具有高精度、高刚度、高承载力、运动惯性小等特点。它作为串联式机器人强有力的补充，扩大了整个机器人的应用范围，在机床加工、轻工业、汽车行业、飞机制造业、飞机模拟、医疗、微动操作等领域已表现出其特有的优势。目前，国内外关于并联机器人的研究主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略等几个领域。

由于并联机器人结构复杂、是多变量、多参数耦合的非线性系统，常规控制策略的控制效果很难令人满意。滑模变结构控制能够有效地解决非线性问题，且对参数的不确定性和外部扰动具有强鲁棒性，适用于并联机器人的控制。在传统滑模变结构控制中，通常采用的是线性滑模面，即Ｓ－＝４２Ｘ，通过切换控制使其从任意初始状态到达滑模面，然后渐近收敛到期埋的状态，渐进收敛速度可通过调节参数实现，但都无法在有限时间内收敛到平衡点。采用了一种新型滑模变结构控制方法—快速终端滑模控制，它综合了传统滑模控制与终端滑模控制的优点，保证了系统状态在有限时间内迅速收敛到平衡状态。同时，快速终端滑模控制的控制律是连续的，不含切换项，从而能有效消除系统抖振。

２建立并联机器人数学模型

所研究的并联机器人是二自由度冗余驱动并联机器人，如图１所示。有三个驱动部分，每个驱动侧包括—个松下ＭＩＮＡＳＡ系列交流伺服电机和减速装置。上位机通过控制卡ＧＴ－４００一ＳＶ来控制三个电机，并通过软件来协调二轴运动。

图１二自由度冗余驱动并联机器人结构图

考虑到快速终端滑模控制的自解耦性，选取其中一条支路作为研究对象，建立模型。控制系统的结构图，如图２所示。

图２控制系统结构图

图中：磊ｋ一电流信号前置放大系数８８；Ｋ一电流环反馈系数２．２；瓦—速度反馈系数０．５４；亿一电流调节器放大系数６；厶、Ｒ，—三相绕组的电感和电阻，值分别为９．９ｍｈ和３．７ｎ；‰—转矩常数０．６７ＮｒｄＡ。

由图２可得：

及ｓ）＝｛［（纰一跏）‰一＆‘ｋ一蝎｝器（１）

★来稿１３期：２００９－０６—１６★基金项目：镇江市工业科技攻关项目（ＧＹ２００７００６）万方数据