力矩输入有界的柔性关节机器人轨迹跟踪控制研究

摘要

近年来，基于奇异摄动理论的柔性关节机器人控制方法得到国内外专家学者的重视，相关研究取得了一定的进展，但是在面向柔性关节机器人的实际运用时，仍有一些关键的问题亟待解决:1）机器人关节执行器的输出力矩存在饱和限制，但现有的绝大多数研究均以执行器能够输出任意所需力矩为前提来设计系统的输入控制律，然后再以之指导执行器的选型，导致通常为满足理论要求而不得不选用具有大力矩输出的大功率大尺寸关节电机，使得机器人本体结构庞大且造成严重的资源浪费。考虑关节电机输出力矩存在饱和的实际情况，如何设计可限定上下界约束的系统输入控制律？2）因传感器安装复杂或控制成本，柔性关节机器人中连杆、电机的角度和角速度通常不可全部测量，即使可测也容易混入噪声污染而影响测量精度。如何减少状态反馈的数量，实现了仅需机器人连杆和电机角度位置测量的部分状态反馈控制？
　　针对问题1），本文在奇异摄动理论的框架下，设计了一类可限定上下界约束的系统输入控制律。首先，通过奇异摄动理论，把柔性关节机器人解耦成快、慢两个子系统。然后，在慢子系统中，通过引入一类具有平滑饱和特性的有界函数，设计了有界的反步控制律；通过采用含有投影算子的RBF神经网络，对控制器中复杂的函数项进行逼近实现了有界反步控制律的简化；其次，在快子系统中，同样引入有界函数，实现了快控制律的力矩输出有界；并在快控制律中对关节弹性力跟踪误差进行滤波，使得子系统能够较快的收敛。另外，采用李雅普诺夫方法分析了系统稳定性，证明了系统误差是最终一致有界的。最后，仿真对比实验结果表明了所提出的有界控制器的控制性能指标优于对比算法，能够有效抑制初始时刻输入力矩的严重震荡，并一直保持控制力矩的有界性。
　　针对问题2），提出了仅需连杆位置和关节电机角度测量的部分状态反馈控制律。首先，为了减少状态反馈测量的数量，设计了二阶非线性观测器对连杆和执行器的速度信号进行观测，并在其基础上，实现了有界控制律设计，同时为了获得更好的动态性能，采用模糊策略实现了增益参数的在线自整定。其次，采用李雅普诺夫方法对系统稳定性分析，证明了系统的半全局稳定性。最后，对算法进行了仿真实验，验证了算法对柔性关节机器人控制的有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题研究的背景及意义

1.2柔性关节机器人的建模和控制研究现状

1.3课题研究的主要内容

第二章 柔性关节机器人的动力学建模与分析

2.1 引言

2.2 柔性关节机器人的基本动力学模型

2.3 基于奇异摄动理论的柔性关节机器人动力学建模

2.4本章小结

第三章 基于奇异摄动解耦的柔性关节机器人有界控制

3.1 引言

3.2有界函数的研究

3.3 有界控制律的设计

3.4系统的稳定性分析

3.5 轨迹跟踪仿真实例

3.6 本章小结

第四章 基于观测器和模糊自整定的柔性关节机器人有界控制律设计

4.1 引言

4.2 状态观测器的设计

4.3 模糊控制器的设计

4.4 有界控制律的设计

4.5 系统稳定性的分析

4.6 轨迹跟踪仿真实例

4.7 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士期间参加的项目和发表的论文

致谢