模块化机器人系统的终端滑模自抗扰控制方法与实验研究.pdf

摘要

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随着科学技术的飞速发展，无人化工作模式在各种领域愈发扮演重要角色。机器

人作为无人化工作的核心载体，日益成为人类创造和改善社会所不可或缺的工具。对

于传统机器人而言，面对复杂环境控制精度不高，完成多任务的能力弱，成本和维护

费用较高，传统机器人已经不能够满足人类的任务需求。因此，可以满足多种任务需

求、成本低且可实现较高控制性能的模块化机器人成为机器人领域关注的焦点。

模块化机器人是由融合了总线设备数据读写模块、电机运动控制模块、电源供给

模块、I/O控制模块、传感测量模块等规范化机电设计接口模块组成的非线性系统，

可以根据任务的不同需求进行自由增减模块。从硬件层面来看，模块化机器人就是一

些具有标准化接口属性的连杆和旋转关节等机械硬件的有机结合体。从控制角度来

看，每个模块被视为一个自主控制个体，模块化使机器人整体系统具有适应部分模块

发生故障和环境干扰的强鲁棒性。模块化机器人具有灵活的环境适应性，在灾害抢险

救援，空间任务作业，深海环境探测等领域应用广泛。由建模不精确造成的系统不确

定性和复杂多变的外部干扰极大影响了系统的控制性能。因此，迫切需要找到一种合

适的控制策略降低系统内部参数变换、未建模动力学误差和外部干扰对系统性能造成

的不利影响，以确保模块化机器人这类非线性不确定系统拥有较高的控制精度。在工

程实际应用中，系统往往需要具备较好的实时性，以便系统即时做出响应。传统的控

制策略虽然拥有较高的控制精度，但是其算法执行时间占据大量的系统带宽，不利于

工程设备实际运作。因此，研究更符合模块化的设计思想，复杂程度低，运算速度快

且对机器人模型不确定性具有较好补偿能力的模块化机器人动力学控制方法是十分

必要的。

针对上述问题，本文研究了模块化机器人系统的终端滑模自抗扰控制方法，通过

模块化机器人实验平台进行跟踪控制，从而验证了所提出算法的有效性。全文主要研

究内容如下：

（1）阐述了论文选题的研究背景及意义，对模块化机器人的国内外研究现状及

热点研究问题进行论述。

（2）利用关节力矩感知技术，补偿关节电机系统上的负荷，这个负荷来自其他

电机、连杆和末端负载。同时考虑作用在各关节及连杆上的力/力矩以及关节间的耦

合力/力矩。每个子系统模型中都存在转动惯量部分、系统摩擦项、耦合交联项和传

感反馈项，继而得出n自由度模块化机器人系统的动力学模型。此方法简化了系统模

型信息，并且为所提出的算法提供模型基础。

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（3）为解决积分饱和造成超调量大和调节时间较长等问题，本文提出一种线性

调节积分滑模自抗扰控制算法，减小稳态误差。在初始误差较大情况下，通过滑模函

数和边界层差绝对值的线性调节积分作用，削弱积分作用，确保系统稳定。针对模块

化机器人系统摩擦、子系统间的耦合和外部干扰，利用扩张状态观测器进行估计补偿。

扩张状态观测器的应用，降低了滑模控制中的切换项控制增益，有效削弱了系统抖振。

（4）为了克服传统滑模控制中系统抖振与到达时间相互制约的问题，本文提出

一种基于正切激励函数的积分终端滑模自抗扰控制策略。基于正切激励函数(tansig)，

本文提出tansig型非线性扩张状态观测器来估计补偿模块化机器人系统不确定干扰。

所提出的tansig型非线性扩张状态观测器简化了传统扩张状态观测器设计参数便于

理论分析和实际应用。所提出的滑模控制算法整合了自适应项指数趋近律，降低系统

抖振同时缩减系统状态收敛到系统平衡点的到达时间，所提出的控制算法提高了模块

化机器人系统的抗干扰能力。

最后，对全文研究内容进行总结，并结合作者研究过程中的切身体会，对接下来

的研究工作进行展望。

关键词：模块化机器人自抗扰控制积分终端滑模指数趋近律

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