CN110161852A - 一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法，包括：1)设计基于跟踪控制位置误差的向量取值函数，所设计的向量取值误差函数包含跟踪控制位置的导数信息与积分信息，并构建二阶滑模算法动态方程；2)根据具体的移动机械臂参数计算相应的移动机械臂速度层运动学关系式；3)将步骤2)中得到的二阶滑模算法动态方程代入移动机械臂速度层运动学关系式得到求解模型，计算移动机械臂的驱动轮旋转速度与机械臂关节角速度；4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动移动机械臂运动。本发明求解出的移动机械臂运动控制量，控制移动机械臂实现有限时间收敛的跟踪控制，同时也使得移动机械臂具有抵抗外部干扰的能力。

Description

一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法

技术领域

本发明涉及移动机械臂运动规划及控制领域，具体涉及基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法。

背景技术

移动机械臂是一种带有可移动平台并搭载机械臂的机械装置，其广泛地应用于工业生产，社会服务和医疗辅助等领域。移动机械臂因具有可移动性、灵巧性、机械臂操作空间大等特性，得到了业界的重视与研究。其中对移动机械臂的运动规划与控制则是工业应用中十分重要的研究内容之一。使用传统移动机械臂控制方法求解所得的结果通常只能达到全局渐近收敛，并且对外部时变干扰十分敏感。上述的不足往往影响着移动机械臂的运动控制求解速度和精度，甚至会导致移动机械臂末端执行器的跟踪控制任务最终失败。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述技术存在的不足，提供一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法，该方法设计简单、易于操作且能快速求解，鲁棒和有效地控制移动机械臂运动的方法，更好地方便操作人员进行移动机械臂的控制，推广移动机械臂的应用。。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法，包括如下步骤：

1)设计基于跟踪控制位置误差的向量取值函数，所设计的向量取值误差函数包含跟踪控制位置的导数信息与积分信息，并构建二阶滑模算法动态方程，也即定义基于跟踪控制位置误差的向量取值函数e(t)＝r_md(t)-r_m(t)，其中r_md(t)表示移动机械臂末端执行器期望跟踪路径，r_m(t)表示移动机械臂末端执行器实际运动位置轨迹。根据上述误差函数e(t)，定义中间变量其中κ表示用户可预定义的设计参数，sign(·)表示符号函数，结合误差函数，可构建二阶滑模算法动态方程，其第i个子系统表达式如下：

2)根据具体的移动机械臂参数，计算如下相应的移动机械臂速度层运动学关系式：

其中A(·,·)表示整合移动机器人的基座和机械臂几何关系信息的增广矩阵，φ表示移动机器人基座的航向角，θ表示移动机器人机械臂关节角，表示移动机械臂整合角速度。

3)将步骤2)中得到的二阶滑模算法动态方程代入移动机械臂速度层运动学关系式，得到如下求解模型：

用以计算移动机械臂的驱动轮旋转速度与机械臂关节角速度，其中函数映射ψ^1/2(·)的第i个元素定义如下：

4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动移动机械臂运动。

将基于二阶滑模算法求解模型的结果转化为电机驱动所需要的控制信号，从而驱动各移动机器人驱动轮和关节电机，使移动机械臂完成跟踪控制运动。

与现有技术相比，本发明有如下优点：现有的移动机械臂控制方法所产生的解通常只能达到全局渐近收敛，并且对外部时变干扰十分敏感，从而可能导致移动机械臂的运动控制求解速度慢、精度低，甚至会使移动机械臂末端执行器跟踪控制任务失败。本发明是一种有限时间收敛并且对外部干扰具有良好鲁棒性能的运动规划方法。易于设计和操作，在实际应用中有重要作用和广阔前景。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为实现本发明的移动机械臂模型图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

图1所示的一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法，首先定义基于跟踪控制位置误差的向量取值函数和中间变量，构建二阶滑模算法动态方程；根据具体的移动机械臂参数计算移动机械臂速度层运动学关系式；将二阶滑膜算法动态方程代入移动机械臂速度层运动学关系式得到求解模型，并计算移动机械臂的轮子旋转速度与机械臂关节角速度；最后下位机控制器根据求解结果控制移动机械臂的运动。

图2所示实现本发明的移动机械臂为一个具有移动平台并装配有六自由度的机械臂。移动平台具有两个主动轮驱动平台移动，一个从动轮，平台上方固定装配一个机械臂，该机械臂由六个连杆组成，通过关节1、关节2、关节3、关节4、关节5、和关节6组成，机械臂末端装配执行器，可执行路径跟踪控制运动。

本发明设计基于跟踪控制位置误差的向量取值函数，所设计的向量取值误差函数包含跟踪控制位置的导数信息与积分信息，并构建二阶滑模算法动态方程，也即定义基于跟踪控制位置误差的向量取值函数

e(t)＝r_md(t)-r_m(t)

其中r_md(t)表示移动机械臂末端执行器期望跟踪路径，r_m(t)表示移动机械臂末端执行器实际运动位置轨迹。根据上述误差函数e(t)，定义中间变量

其中κ表示用户预定义的设计参数，sign(·)表示符号函数，结合误差函数，构建二阶滑模算法动态方程，其第i个子系统表达式如下：

根据具体的移动机械臂参数计算如下相应的移动机械臂速度层运动学关系式：

其中A(·,·)表示整合移动机器人的基座和机械臂几何关系信息的增广矩阵，φ表示移动机器人基座的航向角，θ表示移动机器人机械臂关节角，表示移动机械臂整合角速度。

进而，利用上述得到的二阶滑模算法动态方程代入移动机械臂速度层运动学关系式，得到如下求解模型：

用以计算移动机械臂的驱动轮旋转速度与机械臂关节角速度，其中函数映射ψ^1/2(·)的第i个元素定义如下：

最后，将基于二阶滑模算法求解模型的结果转化为电机驱动所需要的控制信号，将求解控制信号传递给下位机控制器从而驱动各移动机器人驱动轮和关节电机，使机械臂完成跟踪控制运动，同时具有有限时间收敛和抵抗外部干扰能力。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于二阶滑模算法的移动机械臂运动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)设计基于跟踪控制位置误差的向量取值函数，所设计的向量取值误差函数包含跟踪控制位置的导数信息与积分信息，并构建二阶滑模算法动态方程，也即定义基于跟踪控制位置误差的向量取值函数e(t)＝r_md(t)-r_m(t)，其中r_md(t)表示移动机械臂末端执行器期望跟踪路径，r_m(t)表示移动机械臂末端执行器实际运动位置轨迹；根据上述误差函数e(t)，定义中间变量其中κ表示用户可预定义的设计参数，sign(·)表示符号函数，结合误差函数，构建二阶滑模算法动态方程，其第i个子系统表达式如下：

2)根据具体的移动机械臂参数计算如下相应的移动机械臂速度层运动学关系式：

其中A(·,·)表示整合移动机器人的基座和机械臂几何关系信息的增广矩阵，φ表示移动机器人基座的航向角，θ表示移动机器人机械臂关节角，表示移动机械臂整合角速度；

3)将步骤2)中得到的二阶滑模算法动态方程代入移动机械臂速度层运动学关系式，得到如下求解模型：

用以计算移动机械臂的驱动轮旋转速度与机械臂关节角速度，其中函数映射ψ^1/2(·)的第i个元素定义如下：

4)将步骤3)的求解结果传递给下位机控制器驱动移动机械臂运动。