一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法技术方案

一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，基于齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型，构建目标轨迹与实际运动轨迹的跟踪误差方程；在此基础上，引入输出跟踪误差比例项、输出跟踪误差积分非奇异终端项、输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面，达到滑动阶段的有限时间收敛；并采用超螺旋趋近律抑制高频振动现象，取得非线性高精度控制。线性高精度控制。线性高精度控制。

【技术实现步骤摘要】
一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人控制系统
，尤其涉及一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法。

技术介绍

[0002]齿轮主要结构由齿面、齿圆、轮齿组成，作为机械结构中重要的传动元件之一，其自身加工精度会直接影响机械性能。常规齿轮精加工工艺包含：粗研磨、精研磨、抛光等，其表面加工工艺质量直接影响齿轮传动性能，为有效地提高齿轮检测效率，常采用带有末端视觉的齿轮巡检机器人作业。齿轮巡检机器人包含N关节机械臂以及末端视觉组件，为完成多角度齿轮巡检，精确的轨迹动作是事关重要的。然而齿轮巡检机器人N关节机械臂是一种N自由度非线性系统，其系统存在不确定性、高度非线性、强耦合等问题，常规的控制方法，如专利CN113589689A公开的一种基于多参数自适应神经网络的滑模控制器设计方法、以及专利CN112241124A公开的一种自适应反演积分非奇异快速终端滑模控制器设计方法，无法达到高精度控制要求。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对如何有效提高N自由度齿轮巡检机器人系统轨迹跟踪精度的技术问题，提供如下技术方案：基于齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型，构建跟踪误差方程；利用齿轮巡检机器人系统输出跟踪误差、输出跟踪误差比例项、输出跟踪误差积分非奇异终端项、输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面；以超螺旋趋近律为基础，设计齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制器τ(t)，并验证稳定性。
[0004]一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤
[0005]步骤1，基于齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型，构建跟踪误差方程；
[0006]步骤2，利用齿轮巡检机器人系统输出跟踪误差、输出跟踪误差比例项、输出跟踪误差积分非奇异终端项、输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面；
[0007]步骤3，以超螺旋趋近律为基础，设计齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制器τ(t)，并验证稳定性。
[0008]进一步地，步骤1中，所述的齿轮巡检机器人系统包含图像运算中心、高倍相机、N关节机械臂。
[0009]进一步地，步骤1中，所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型：
[0010][0011]其中，q(t)代表齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的关节的角度，一阶和二阶分别代表角速度和角加速度，等式左边分别为：齿轮巡检机器人系统N关节机械臂惯性力项齿轮巡检机器人系统N关节机械臂离心力和哥氏力项齿轮巡检机器人系统N关节机械臂重力项G(q(t))∈R
n
×
n
、齿轮巡检机器人系统N关节机械臂摩擦力
项外扰项τ
d
(t)∈R
n
×
n
；M(q(t))∈R
n
×
n
为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂惯性矩阵，性矩阵，为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂离心力和哥氏力矩阵；等式右边为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制力项τ(t)∈R
n
×
n
；
[0012]定义所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差为：
[0013]e(t)＝q
*
(t)
‑
q(t)
[0014]其中，q
*
(t)是所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的目标轨迹，e(t)是所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差；
[0015]将所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差取一阶微分得：
[0016][0017]其中，是e(t)的一阶微分；是q
*
(t)的一阶微分；是q(t)的一阶微分；
[0018]将所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差取二阶微分得：
[0019][0020]其中，是e(t)的二阶微分；是q
*
(t)的二阶微分；是q(t)的二阶微分。
[0021]进一步地，步骤2中，定义所述的积分滑模面：
[0022]s(t)＝k
p
e(t)+k
i
∫e(t)dt
[0023]其中，s(t)是积分滑模面；k
p
和k
i
分别是比例项和积分项的调参增益；
[0024]基于积分滑模面，引入输出跟踪误差积分非奇异终端项和输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面：
[0025][0026]s(t)＝[s1(t)，s2(t)...s
n
(t)]T
[0027]k
p
＝diag[k
1p
，k
2p
...k
np
]T
[0028]k
i
＝diag[k
1i
，k
2i
...k
ni
]T
[0029]e(t)＝[e1(t)，e2(t)...e
n
(t)]T
[0030]e
p/j
(t)＝[e
1p/j
(t)，e
2p/j
(t)...e
np/j
(t)]T
[0031]e(0)＝[e1(0)，e2(0)...e
n
(0)]T
[0032][0033]其中，s1(t)，s2(t)...s
n
(t)是有限时间收敛全局非奇异终端滑模面s(t)的子滑模面；k
p
和k
i
分别是输出跟踪误差比例项、初始项和输出跟踪误差积分非奇异终端项的调参增益；调参增益p＜j＜2p且p、j为正奇数；
[0034]将所述的有限时间收敛全局非奇异终端滑模面取一阶微分得：
[0035][0036][0037][0038][0039]其中，是s(t)的一阶微分；
[0040]取即得：
[0041][0042]其中，t
s
是收敛时间，c是常数。
[0043]进一步地，步骤2中，定义所述的超螺旋趋近律：
[0044][0045]其中，a＞0、b＞0且为调参增益，
[0046]进一步地，步骤3中，联立所述的有限时间收敛全局非奇异终端滑模面一阶微分和所述的超螺旋趋近律，得：
[0047][0048][0049]将上式取一次微分得：
[0050][0051]进一步地，步骤3中，联立所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型；所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差一阶微分和二阶微分；设计齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制器τ(t)：
[0052][0053][0054][0055][0056][0057]本专利技术的有益效果：
[0058](1)引入输出跟踪误差比例项、输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤步骤1，基于齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型，构建跟踪误差方程；步骤2，利用齿轮巡检机器人系统输出跟踪误差、输出跟踪误差比例项、输出跟踪误差积分非奇异终端项、输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面；步骤3，以超螺旋趋近律为基础，设计齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制器τ(t)，并验证稳定性。2.根据权利要求1所述的一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：步骤1中，所述的齿轮巡检机器人系统包含图像运算中心、高倍相机、N关节机械臂。3.根据权利要求1～2任一所述的一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：步骤1中，所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂数学模型：其中，q(t)代表齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的关节的角度，一阶和二阶分别代表角速度和角加速度，等式左边分别为：齿轮巡检机器人系统N关节机械臂惯性力项齿轮巡检机器人系统N关节机械臂离心力和哥氏力项齿轮巡检机器人系统N关节机械臂重力项G(q(t))∈R
n
×
n
、齿轮巡检机器人系统N关节机械臂摩擦力项外扰项τ
d
(t)∈R
n
×
n
；M(q(t))∈R
n
×
n
为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂惯性矩阵，性矩阵，为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂离心力和哥氏力矩阵；等式右边为齿轮巡检机器人系统N关节机械臂控制力项τ(t)∈R
n
×
n
；定义所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差为：e(t)＝q
*
(t)
‑
q(t)其中，q
*
(t)是所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的目标轨迹，e(t)是所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差；将所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差取一阶微分得：其中，是e(t)的一阶微分；是q
*
(t)的一阶微分；是q(t)的一阶微分；将所述的齿轮巡检机器人系统N关节机械臂的跟踪误差取二阶微分得：其中，是e(t)的二阶微分；是q
*
(t)的二阶微分；是q(t)的二阶微分。4.根据权利要求1～3任一所述的一种齿轮巡检机器人系统全局非奇异终端滑模控制方法，其特征在于：步骤2中，定义所述的积分滑模面：s(t)＝k
p
e(t)+k
i
∫e(t)dt其中，s(t是积分滑模面；k
p
和k
i
分别是比例项和积分项的调参增益；基于积分滑模面，引入输出跟踪误差积分非奇异终端项和输出跟踪误差初始项，构建有限时间收敛全局非奇异终端滑模面：
s(t)＝[s1(t)，s2(t)
…
s
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红艳，朱明祥，袁丽丽，王珏，王钰，鲍甜恬，
申请(专利权)人：南京师范大学泰州学院，
类型：发明
国别省市：