《基于MATLAB和Simulink的双关节机器人模拟控制系统设计》16000字.docx

基于MATLAB和Simulink的双关节机器人模拟控制系统设计

TOC\o1-3\h\z\u引言 3

1关节机器人概述 7

1.1简介 7

1.2主要分类 7

1.3优点和缺点 8

1.4具有代表性的关节机器人的技术参数 8

2滑模变结构控制 10

2.1滑模变结构控制简介 10

2.2滑模变结构控制发展史 10

2.3滑模控制理论研究方向 12

2.3.1抖振产生的主要原因 12

2.3.2消除抖振的方法 13

2.3.3局限性 16

2.4滑模变结构控制的优缺点 17

2.5重要意义 17

3滑模变结构控制的基础理论 19

3.1滑模变结构控制的基本概念 19

3.2滑模控制系统的设计 20

3.3滑模控制律设计 22

3.4系统描述 22

4双关节机器人系统分析 25

4.1双关节型机器人建模 25

4.2双关节机器人的速度分析 27

5基于哈密顿雅可比不等式理论的滑模控制 29

5.1哈密顿雅可比不等式基本原理 29

5.2多关节机械手的系统设计 30

5.3系统的仿真与试验 32

5.4仿真程序 35

总结 39

参考文献 42

摘要

机器人的工作进行性能强，稳定性和效率都很高，所以被应用于企业各个国家科研领域中。因此，为了深入研究机器人驱动系统，有必要为双关节机器人的研究对象建立模拟控制系统。首先，双关节机器人规划轨迹、电气结构、机械结构和控制器的数学模型应该被建立。然后利用MATLAB和Simulink建立基于数学模型的仿真模型。运行过后的结果显示，滑模控制器被改进后出现更高的跟踪精准度和比之前更先进的跟踪效果，从而使机器人的路径跟踪控制的稳定性被保证。基于哈密顿雅可比不等式理论的滑模鲁棒控制不但具有一个良好的动态和稳态性能，而且鲁棒性较强，从而说明该控制研究方法的轨迹跟踪管理控制技术有效可行。仿真的目的是为机器人系统的优化设计和调试提供有效的模型和依据。从而使内部控制系统的响应速度迅速增加、精确度大大提高。从而使机器人的安全性实现飞跃性的提升，机器人的环境适应能力也有很大幅度的提高。机器人在社会各个不同领域得到了一个广泛的应用，仍然有着非常广阔的研究和应用市场前景，也可用来完成一些我们人类无法通过完成的一些危险或者难度极高的任务。所以。在未来，机器人会很好的被人类所使用。

关键词：

双关节型机器人；鲁棒性；哈密顿雅可比不等式理论；稳定性

引言

今天，从工业材料的加工到生产生活中的各种物品，机器人是可以取代体力劳动的增长最快的助手之一。机器人进行技术还可以广泛应用于煤矿、油气、水管、电厂等地下工程应用。机器人在我们的日常生活中已经无处不在，并广泛应用于许多科学研究领域。机器人被要求将人们从劳动密集型的工作中解放出来，并从事危险的工作，这些工作也可以用于难以进入的环境。因此，有必要通过使用滑动模式可以控制管理系统来控制机器人。由于机器人系统是一个典型的非线性系统，也有许多不可预见的外部干扰，所以在近年来滑模变结构控制理论的主要应用环境中，机器人控制是其中的一员。1983年，Slotine等人首先使用了滑模控制方法设计用于双自由度的刚性体机械手的滑动模式变结构控制，并且使时间变化的基准轨迹跟踪的控制被实现。随后，国内外对机器人滑模变结构控制的研究课题增加了很多。多关节刚性机器人的一个终端滑模控制器被Z.H.Man等所设计，该控制器可使每个关节在指定的时间内使每个关节的位置被跟踪。设计两个滑动模具表面被A.Ficola等人所设计，通过使用滑模控制方法使得带弹力臂的双关节机器人的控制被实现。近年来，滑模变结构控制理论被广泛应用于机器人控制系统中，以解决各种突发的外部运动干扰[1]。滑模控制是一种鲁棒控制方法，应用于机器人系统，可以实现其鲁棒性[2]。

由于滑动模态分析可以通过进行教学设计问题并且与对象参数及扰动无关，因此滑模控制技术具有积极响应速度快，无需系统实现实时识别，参数变化和干扰小，物理简单等优点。通用解决中国方案是采用自适应控制，变结构进行控制，动态信息反馈可以控制等控制管理方法，结合反演技术和李雅普诺夫稳定性发展理论，研究主要参数未知的非完整移动智能机器人的轨迹跟踪问题[3]。

滑模观测和滑模控制是滑模变结构系统的组成部分。近些年以来，具有优良性能的滑模变结构方法因为它的性能从而被关注。自行进行设计发展所需的滑模面及等效质量控制律，能快速响应数据输入变换，但对参数变换和扰动不敏感，鲁棒性好。学者们的关注点被它吸引了。滑模能够很好地适应系统的扰动以及摄动是它最大的优点。