力矩輸入有界的柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、近年來(lái)，基于奇異攝動(dòng)理論的柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人控制方法得到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的重視，相關(guān)研究取得了一定的進(jìn)展，但是在面向柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)用時(shí)，仍有一些關(guān)鍵的問(wèn)題亟待解決:1）機(jī)器人關(guān)節(jié)執(zhí)行器的輸出力矩存在飽和限制，但現(xiàn)有的絕大多數(shù)研究均以執(zhí)行器能夠輸出任意所需力矩為前提來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的輸入控制律，然后再以之指導(dǎo)執(zhí)行器的選型，導(dǎo)致通常為滿足理論要求而不得不選用具有大力矩輸出的大功率大尺寸關(guān)節(jié)電機(jī)，使得機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)龐大且造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)?？紤]關(guān)

2、節(jié)電機(jī)輸出力矩存在飽和的實(shí)際情況，如何設(shè)計(jì)可限定上下界約束的系統(tǒng)輸入控制律？2）因傳感器安裝復(fù)雜或控制成本，柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人中連桿、電機(jī)的角度和角速度通常不可全部測(cè)量，即使可測(cè)也容易混入噪聲污染而影響測(cè)量精度。如何減少狀態(tài)反饋的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了僅需機(jī)器人連桿和電機(jī)角度位置測(cè)量的部分狀態(tài)反饋控制？
　　針對(duì)問(wèn)題1），本文在奇異攝動(dòng)理論的框架下，設(shè)計(jì)了一類可限定上下界約束的系統(tǒng)輸入控制律。首先，通過(guò)奇異攝動(dòng)理論，把柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人解耦成快、慢

3、兩個(gè)子系統(tǒng)。然后，在慢子系統(tǒng)中，通過(guò)引入一類具有平滑飽和特性的有界函數(shù)，設(shè)計(jì)了有界的反步控制律；通過(guò)采用含有投影算子的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)控制器中復(fù)雜的函數(shù)項(xiàng)進(jìn)行逼近實(shí)現(xiàn)了有界反步控制律的簡(jiǎn)化；其次，在快子系統(tǒng)中，同樣引入有界函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了快控制律的力矩輸出有界；并在快控制律中對(duì)關(guān)節(jié)彈性力跟蹤誤差進(jìn)行濾波，使得子系統(tǒng)能夠較快的收斂。另外，采用李雅普諾夫方法分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性，證明了系統(tǒng)誤差是最終一致有界的。最后，仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所提出的

4、有界控制器的控制性能指標(biāo)優(yōu)于對(duì)比算法，能夠有效抑制初始時(shí)刻輸入力矩的嚴(yán)重震蕩，并一直保持控制力矩的有界性。
　　針對(duì)問(wèn)題2），提出了僅需連桿位置和關(guān)節(jié)電機(jī)角度測(cè)量的部分狀態(tài)反饋控制律。首先，為了減少狀態(tài)反饋測(cè)量的數(shù)量，設(shè)計(jì)了二階非線性觀測(cè)器對(duì)連桿和執(zhí)行器的速度信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，并在其基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了有界控制律設(shè)計(jì)，同時(shí)為了獲得更好的動(dòng)態(tài)性能，采用模糊策略實(shí)現(xiàn)了增益參數(shù)的在線自整定。其次，采用李雅普諾夫方法對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，證明了系統(tǒng)的半