漂浮基空间机器人关节协调运动的非奇异终端滑模控制.pdfVIP

2013年 7月 机械设计与制造工程 Ju1．2013 第42卷 第7期 MachineDesignandManufacturingEngineering Vo1．42No．7 DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．07．010 漂浮基空间机器人关节协调运动的 非奇异终端滑模控制 刘宗源。陈 力 (福州大学 机械工程及 自动化学院，福建 福州 350108) 摘要：讨论了载体姿态受控、位置不受控制的单臂空间机器人系统的控制 问题。利用拉格朗日方 法并结合系统动量守恒关系，建立 了双臂空间机器人 系统的非线性动力学模型。以此为基础 ，对 单臂空间机器人姿态、关节协调运动的控制问题作了研究。考虑到空间机器人系统结构的复杂 性及其某些参数的变动性，根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论，设计了单臂空间机器人 姿态、关节协调运动的非奇异终端滑模控制方案。该控制方案不仅可以保证机器人控制系统的 稳定性，而且还能使 系统在有限时间内实现对所期望运动状态的精确跟踪，同时又可避免普通终 端滑模控制中所出现的奇异问题。最后用数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性。 关键词：空间机器人；有限时间；关节运动；非奇异终端滑模控制 中图分类号：TP242．3 文献标识码 ：A 文章编号：2095—509X(2013)07—0036—04 伴随着空间技术的迅速发展，人类对外太空不 1 系统动力学方程 断的探索，空间机器人得到了越来越广泛的应用， 不失一般性，以平面两杆漂浮基空间机器人系 各 国研究者对其系统的运动学、动力学和控制问题 统为例，如图1所示，漂浮基空间机器人系统为无 有 了更广泛的关注 ¨ 。由于控制对象是在太空 根多体系统，设空间机器人系统由自由漂浮的载体 这一特殊环境下执行作业任务，完全高度智能化的 B。，机械臂B，B 及末端载荷P组成。建立各分体 空间机器人 尚未出现之前，需要依靠地面上操控人 (i=0，1，2)的主轴坐标系(O Yz)，其中O。与 员对空间机器人进行遥控 ，此类控制现今 已逐步成 的质心O。重合，O，O：分别为联接 与B。，： 为空间技术研究的难点与热点E8—10]。一些学者提 与 的转动铰的中心， (i=1，2)为机械臂的对 出了Terminal滑模控制方案，该方案在滑动超平面 称轴。设 O在O。。轴上与O。的距离为f0，B(i= 的设计中引入非线性函数，从而使得滑模面上跟踪 1，2)沿 轴的长度为f；日。质心O。在O。轴上与 误差能够在有限时间内收敛到零。Terminal滑模 O 的距离为o，机械臂B 与末端载体P联合体的 控制是通过设计一种动态非线性滑模面方程实现 质心O 在 轴上与O 的距离为o：；各分体的质量 的，即在保证滑模控制稳定的基础上，使系统状态 和中心转动惯性分别为m 和．，(i=0，1，2)；末端 在指定的有限时间内达到对期望状态的完全跟踪。 载荷 P的质量和 中心转动惯性为 m 和 J； = 然而Terminal滑模控制存在一个奇异的问题，为了 2 解决Terminal滑模控制的奇异问题，提出了非奇异 m +雨∑m为系统总质量，c为系统总质心。建立 Terminal滑模控制方案，同时保持Terminal滑模控 平动的惯性坐标系(oxYz)，设各分体沿 (X，Y)平 制 自身的优点。本文将通过单臂的空间机器人的 面作平面运动，轴与z轴保持平行，并设 (i= 控制仿真，来验证所提控制方案的简洁性、强鲁棒 0，1，2)为 轴的基矢量。则