[發(fā)明專利]一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法

在審

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• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111531548A
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發(fā)明（設計）人: 劉丙友;李興;王力超;張崢崢;羅建;趙瑞
• 申請（專利權）人: 安徽工程大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 合肥昊晟德專利代理事務所(普通合伙) 34153
• 代理人: 王瑞

本發(fā)明公開了一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法，屬于串聯(lián)機械臂控制技術領域，包括以下步驟：S1：建立電機位置的動態(tài)數(shù)學模型；S2：設計自抗擾控制器；S3：估計系統(tǒng)總擾動并補償。本發(fā)明具有更快的響應速度和更強的抗干擾能力，并且實現(xiàn)了無超調的跟蹤；采用新型非線性函數(shù)，在原點附近具有更好的平滑性、連續(xù)性和可導性，同時也具有比傳統(tǒng)ADRC更好的高頻顫振抑制能力和自抗擾能力；將卡爾曼濾波器引入擴張狀態(tài)觀測器，可以有效地估計系統(tǒng)總擾動，包括外部擾動、軸間的耦合作用和構件間的摩擦力；經(jīng)仿真和試驗結果表明，該控制方法具有良好的靜態(tài)性能、動態(tài)品質和抗干擾能力，可為連桿機構的研究提供參考，具有很高的工程實用價值。

技術領域

本發(fā)明涉及串聯(lián)機械臂控制技術領域，具體涉及一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法。

背景技術

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人已經(jīng)在很多工作環(huán)境惡劣，勞動量大，高精度、重復性高的領域代替人類進行生產(chǎn)制造。多軸串聯(lián)機械臂作為這一類結構特點明顯的機器人，其最基本的功能即能夠接受指令，完成定位和軌跡跟蹤工作。多軸串聯(lián)機械臂的定位與軌跡跟蹤控制，可以總結為從機器人動力學出發(fā)，操縱關節(jié)的驅動力矩，使得機械臂的位置與姿態(tài)根據(jù)任務的要求進行快速而穩(wěn)定精確轉換，形成穩(wěn)定的閉環(huán)系統(tǒng)，盡可能快地讓關節(jié)狀態(tài)跟蹤設定值，完成作業(yè)任務。目前對多軸聯(lián)動機械臂的常規(guī)控制策略有PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、自適應控制、滑?？刂?、魯棒控制。

但是由于機械臂復雜的機械結構，不同的關節(jié)連桿系統(tǒng)之間相互影響高度耦合，整體呈現(xiàn)出非線性，強耦合的特點，使得常規(guī)的控制策略難以對其進行快速、高精度控制?，F(xiàn)有的機械臂控制方法大多依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，但是由于機械臂控制系統(tǒng)的模型復雜，加上一些未知因素的影響，難以建立精確的數(shù)學模型。因此，提出一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法。

發(fā)明內容

本發(fā)明所要解決的技術問題在于：如何實現(xiàn)對多軸串聯(lián)機械臂更快速、更高精度的控制，提供了一種多軸串聯(lián)機械臂的自抗擾控制方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案解決上述技術問題的，本發(fā)明包括以下步驟：

S1：建立電機位置的動態(tài)數(shù)學模型

分析機械臂關節(jié)電機的工作電路，根據(jù)電機的平衡方程建立電機的數(shù)學模型，利用拉普拉斯變換得到零初始條件下電機輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)和電機位置的動態(tài)數(shù)學模型；

S2：設計自抗擾控制器

對自抗擾控制器進行設計，并選擇非線性函數(shù)構造自抗擾控制器中的擴張狀態(tài)觀測器與非線性誤差反饋控制律；

S3：估計系統(tǒng)總擾動并補償。

將卡爾曼濾波器引入擴張狀態(tài)觀測器，估計系統(tǒng)總擾動，并對總擾動進行補償，實現(xiàn)對機械臂的控制。

更進一步地，在所述步驟S1中，根據(jù)直流力矩電機的工作原理和基爾霍夫定律，電機的四個平衡方程即所述電機的數(shù)學模型，數(shù)學模型的表達式如下：

T_e(t)＝C_eΦi_a(t)＝K_ei_a(t)

E_a＝C_aΦn(t)＝K_aω(t)