克服链间耦合的分拣用并联机构双增益自适应滑模控制

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机器人正以超常速度走进人类生活各方面。基于机器人技术实现水果分拣能有效控制生产成本、减轻工人劳动强度,符合“机器换人”发展趋势。并联机构用于水果分拣,较串联机构具有定位精度高、负载能力强、运动惯量低等优势,更适用于对诸如葡萄等具有细小果梗串类水果的分拣作业。因此,本课题组基于并联机构研发了可实现SCARA运动(三维平动和一维转动)的水果分拣机器人,以更好实现对串类水果的分拣。考虑运动学控制易于设计、易于商品化实现,本文针对分拣机器人并联机构,着重研究其运动学滑模控制。目前主要存在的难点有:(1)采用运动学控制方法如何克服并联机构链间耦合作用。(2)分拣用并联机构存在电机模型参数时变以及外界扰动等不确定性问题。滑模控制对作用于控制通道的有界不确定性具鲁棒性。然而,因不确定性上界信息难以获知,传统滑模控制通常需保守选取滑模切换增益,造成切换增益与扰动幅值失配,从而易产生滑模控制抖振,影响系统的控制精度,严重时甚至会损坏机械部件。为此,本文首先研究提出一种链间耦合量化方法并建立考虑链间耦合的支链模型,在此基础上,研究提出一种无需系统不确定性上界信息克服链间耦合的并联机构双增益自适应滑模控制方法,有效抑制滑模控制抖振,提高了分拣用并联机构的运动学控制性能。本文完成的主要工作如下:(1)完成分拣用并联机构运动学、动力学分析。通过运动学分析,解得机构运动学逆解以及Jacobi矩阵;采用虚功原理法对分拣用并联机构进行动力学建模,并通过MATLAB仿真,验证所建模型的正确性。(2)提出一种链间耦合量化方法并建立考虑链间耦合的支链模型。本文基于分拣用并联机构动力学模型中的惯性矩阵分析得到运动学等效耦合惯量,以表征各支链在不同位形下受链间耦合的影响程度;将等效耦合惯量和各主动关节负载惯量折算到电机轴,并附加给各支链电机转子惯量,从而建立考虑链间耦合的支链模型,以更准确地表征分拣用并联机构在工作过程中的动态特性。(3)提出一种不确定并联机构双增益自适应滑模运动学控制方法。针对实际系统由于不确定上界信息难以获知,保守选取滑模切换增益造成滑模控制抖振问题,基于考虑链间耦合支链模型,研究提出一种双增益自适应滑模运动学控制方法。该方法无需系统不确定性上界信息,且能在近滑模面迅速有效调整滑模切换增益,从而在保证系统鲁棒性的同时,能有效避免滑模切换增益过估造成的滑模控制抖振问题。完成所提出控制算法的稳定性理论证明,与基于未考虑链间耦合支链模型的双增益自适应滑模控制进行仿真对比,以验证考虑链间耦合问题的必要性。与基于考虑链间耦合支链模型的定常切换增益滑模控制进行MATLAB仿真对比,结果表明本文所提出控制方法具有更好的轨迹跟踪性能且能有效抑制滑模控制抖振。(4)构建分拣用并联机构克服链间耦合双增益自适应滑模控制样机系统,完成本文所提出方法与基于未考虑链间耦合支链模型的双增益自适应滑模控制和基于考虑链间耦合支链模型的定常切换增益滑模控制对比实验,以进一步验证所提出控制方法的优越性。
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