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柔性关节空间机械臂基于观测器的动态面控制

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:105      更新时间:2018-10-19

                                               李小丽1,2,陈〓力1,2
                                 (1.福州大学机械工程及自动化学院,福建 福州〓350116)
                               (2.福建省高端装备制造协同创新中心,福建 福州〓350116)
摘要:讨论了存在外部干扰、建模误差及载体姿态和位置均不受控的漂浮基柔性关节空间机械臂系统轨迹跟踪及振动主动抑制的问题。结合拉格朗日第二类方程、动量守恒和动量矩守恒定理对系统进行动力学分析。采用奇异摄动理论将系统分为独立时间尺度的快变子系统和慢变子系统。对于快变子系统,采用速度差值反馈来主动抑振。对于慢变子系统,设计了一种基于状态观测器的动态面控制方法,并用RBF神经网络实现执行器饱和的补偿。应用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性,分析了观测误差和系统跟踪误差的有界性和收敛性。仿真结果表明,所提出的方法能够有效克服执行器饱和特性,并具有良好的跟踪性能。
关键词:空间机械臂;执行器饱和;状态观测器;动态面控制;RBF神经网络
中图分类号:TP241〓文献标识码:A〓文章编号:2095-509X(2018)06-0025-05


    近年来,柔性空间机器人因其具有所需力矩小、能够有效降低因外界碰撞带来的损伤等优点而备受关注。
饱和、死区、间隙、磁滞是最常见的执行器非线性特性。针对执行器输出力矩受限的情况,文献[1]提出了自适应模糊控制器,文献[2]提出了一类基于双层神经网络的补偿器。考虑到速度信号在测量过程中容易受到噪声污染,为了减轻系统质量和节省成本等,文献[3]提出了不需要速度信息的自适应控制器。
    本文针对存在执行器饱和的柔性关节漂浮基空间机械臂,采用速度差值反馈和动态面控制技术设计控制器,设计了观测器用于重构系统的速度项,同时采用RBF神经网络实现执行器饱和补偿。仿真结果表明所设计〖HJ*5/9〗的控制器简单有效。

1〓〖ZK(〗具有柔性关节的漂浮基空间机械臂系统动力学奇异摄动模型
    平面两杆漂浮基空间机械臂系统如图1所示,根据拉格朗日第二类方程,具有2个柔性关节的载体位置、姿态均不受控的漂浮基柔性关节空间机械臂系统的动力学方程可表示成如下形式:
图1〓平面两杆漂浮基空间机械臂系统

〖WTHX〗J〖WTBX〗a〖WTHX〗〖AKq¨〗〖WTBX〗a+〖WTHX〗K〖WTBX〗a(〖WTHX〗q〖WTBX〗a-〖WTHX〗q)=τ
〖JY〗(1)〓〖JP3〗
〖WTHX〗D(q)〖AKq¨〗+C(q,〖AKq·〗)-K〖WTBX〗a(〖WTHX〗q〖WTBX〗a-〖WTHX〗q)+〖WTHX〗τ〖WTBZ〗d(〖WTHX〗q,〖AKq·〗,〖WTBX〗t)=0
〖JY〗〖JP〗(2)
〖WTBZ〗
式中:〖WTHX〗q∈R2,为机械臂各关节铰的位移矢量;q〖WTBX〗a∈〖WTHX〗R2,为安装在各关节的驱动电机的角位移矢量;〖WTHX〗J〖WTBX〗a=〖WTBZ〗diag〖WTBX〗(Ja1,Ja2)∈〖WTHX〗R2×2,为驱动电机的惯量矩阵;〖CM(21*2〗〖WTHX〗K〖WTBX〗a=〖WTBZ〗diag〖WTBX〗(k1,k2)∈〖WTHX〗R2×2,为柔性关节的简化线性〖WTBZ〗〖CM)〗


........


基金项目:国家自然科学基金资助项目(11372073,11072061);福建省工业机器人基础部件技术重大研发平台(2014H21010011)
作者简介:李小丽(1990—),女,福建龙岩人,福州大学硕士研究生,主要研究方向为空间机器人系统动力学与控制。


文章来源《机械设计与制造工程》杂志如需详细资料请联系江苏机械门户网客服QQ:2980918915,电话025-83726289)

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