4自由度机械手的滑模变结构轨迹跟踪控制 - 控制工程网.pdfVIP

控制技术 4自由度机械手的滑模变结构轨迹跟踪控制 Sliding mode trajectory tracking controller for the 4-DOF manipulator 叶多芳，葛为民 YE Duo-fang, GE Wei-min （天津理工大学机械工程学院，天津 300384） 摘 要：针对机械手的高度非线性、强耦合的特性，依据滑模变结构控制理论，提出了一种机械手的 滑模变结构的控制方法，并对其进行仿真。仿真结果证明该方法对4自由度机械手的轨迹跟踪 的有效和准确性。 关键词：机械手；滑模变结构；轨迹跟踪；控制 中图分类号：TP29 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2009)05-0006-02 0 引言 动作灵活操作范围广、功率小和易用性等优点。该 机械手主要用于教学领域和控制研究。 由于多关节的机械手是一个强耦合非线性动态 表1 自由度机械手系统参数4 [1] 系统 ，而且其交藕特性还在很大范围内随机械手 的位置及运动状况发生变化。因此，用常规的控制 手段，很难达到快速高精度的跟踪控制的要求。设 [2] 计此类控制策略的关键是 ：避免复杂的非线性补 偿计算；控制系统应对机械手的位置参数的变化及 数学模型的不精确具有不灵敏。因此，研究这类系 统的控制问题有十分重要的理论价值和实践意义。 滑模变结构控制方法比较适合于机械手的控 [3] 制 。这主要是因为滑模变结构控制对一类有外界 干扰和参数变化具备某种不变性，或称完全鲁棒性， 这对于机械手控制非常有利，它可以削弱由于负载 变化或随机干扰对系统控制性能的影响。 1 自由度机械手的动力学模型4 根据科研项目的需要，我们自行设计了4自由 度机械手，该机械手的结构如图1所示，参数如表 1所示。机械手控制系统是采用一个控制卡，同时控 图1 自由度机械手结构图4 制4个电机，几个电机可以相互协同动作，操作系 对于4自由度机械手，可用拉格朗日（Lagrange） 统是通用的Windows2000/XP,开发工具是VC。控制 方程： 系统具有开放性，用户可以对系统的底层进行操作， 开发自己的程序，同时还具有较好的重复定位精度、 （1） 收稿日期：2008-11-17 基金项目：天津市自然科学基金 （06YFJMJC03600）；天津市高等学校科技发展基金 （2006BA11） 作者简介：叶多芳 （1982－），男，河南周口市人，硕士研究生，研究方向为机器人技术。 【6】 第31卷 第5期 2009-05 式中q q q q q ， ， 再令控制输入量为 t t t t t 。 （2），式 （5） 中 及p(q)分别表示机械手的动能和势能。且 将式(5)代入式(4)中，得 （3），式中惯量矩阵M(q)对 所有q 是对称正定矩阵。将式 （2）及式 （3）代入 式 （1）中，机械手的动态方程为 ， 式中 m {g }i=1,...,4;(