第10期 2017年10月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017）100091=05
D0I:10. 13462/j. cnki. mmtamt. 2017. 10. 022
柔性关节机械臂的滑模变结构控制
汪充鹤，李宏胜，张伟2
No.10 Oct.2017
（1.南京工程学院自动化学院，南京211167；2.康尼集团国家企业技术中心，南京210013）
摘要：研究一种带有柔性关节的二连杆机械臂的轨迹跟踪滑模变结构控制问题。针对机械臂的非线性、强耦合以及高阶次的柔性关节特性，运用Lagrange方程建立动力学模型，并针对二连杆机械臂设计滑模变结构控制律，实现一种在一定的系统特性下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动的鲁棒控制，系统可达到更高的控制精度及稳定性。最后基于SimMechanics建立柔性关节机械肾
仿真模型，并通过实验与仿真验证了该控制算法的有效性与可行性。关键词：柔性关节；机器人；滑模变结构控制；动力学模型
中图分类号：TH164；TG506
文献标识码：A
Sliding Mode Control of TwoFlexible Joint Manipulator
WANG Yun-he', LI Hong-sheng', ZHANG Wei
(1. School of Automation, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China; 2. National Technology Center of Connie Enterprise Group,Nanjing 210013,China)
Abstract: Trajectory tracking control problem of two connecting-rod mechanical arm with flexible joint based on sliding mode variable structure control. Focusing on characteristics of two flexible joints mechanical arm, such as characteristics of nonlinear, strong coupling and high-order, Lagrange equation is used to build the dynamic model. Meanwhile, a variable structure control law is adopted for the arm control to achieve the robust performance of system characteristics, which have high frequency movement along pre-determined sliding curve. The system can achieve higher control accuracy and stability- Finally, flexible joint manipula tor simulation model is established with SimMechanics, and effectiveness and feasibility of the control algo rithm is verified by experiment and simulation.
Key words: flexible joint; robotics; sliding mode control; dynamical model
0引言
机械臂通过各关节的旋转、移动实现末端的运动
控制。随着机械臂部件的轻量化以及驱动性能朝着高速、高精度、重载方向发展，机械臂相关构件弹性变形增大，常规的刚性机械臂控制算法难以实现此类机械臂的平稳、准确控制。机械臂的柔性主要来自于连杆柔性和关节柔性，其研究起源于航天飞机机械臂的控制。柔性关节机械臂是一种典型的刚柔耦合的非线性系统，同时也是动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的系统。对于关节柔性，虽然也可以通过合理的材料、结构设计来减小其柔性，但效果不明显，且造价较高"。非线性、强耦合的柔性关节控制困难，运动过程中容易产生末端抖动，且难以快速衰减，因而对机械臂的快速、精确定位与轨迹控制性能产生严重影响，且激发的震荡会影响关节的精度和寿命[2]。为了设计使机械臂末端能够精确到达指定位置或跟踪预定工作
收稿日期：2016-11-23；修回日期：2016-12-21
空间轨迹的控制器，国内外众多研究者提出了很多有效的方法，如奇异摄动法、反馈线性化、变结构控制，以及将微分儿何的方法引进柔性关节的控制。Liu Yechao等13采用奇异摄动法，并假设系统柔性较小内环采用力矩环进行控制，且外环为位置环，内外环分别解决机械臂动力学控制中较快和较慢的变化，而关节柔性、力矩及加速度信号的好坏对控制系统带宽及效果产生很大影响；DeLuca等[4]采用动态反馈线性化法，该算法理论成熟，但计算量较大，并且柔性关节机器人动力学实现线性化难度较大；变结构控制，由于具有控制简单、解耦、降阶等优点被广泛采用，但其控制增益较大，也易产生抖振问题5]；Yim等[7]提出一种基于反步法（Backstepping）设计的自适应输出反馈控制器,以及Yeon等[8]分别利用经典PD控制和文件的H控制实现柔性关节的文件控制，但是采用微分几何算法设计的控制器一经确定，在控制过程中不能
*基金项目：江苏省科技支撑计划-工业部分（BE2014025）
作者简分务数据990—），男，江苏徐州人，南京工程学院硕士研究生，研究方向为工业机器人控制；通讯作者：李宏胜（1966—），男，南京人，南
景圣程享院教授，硕土生导师，博士，研究方向为数控技术、高性能伺服驱动、机器人控制、智能控制，（E-mail）zdhxlhs@njit.edu.cn。