多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统技术方案

多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统，该方法包括：以电动机驱动器和电动机为被控对象，冗余并联机构为负载，建立带干扰项的并联机构各支路的数学模型；对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划获得其期望运动位姿，确定在实现冗余并联机构末端执行器期望运动过程中各支路驱动电动机的期望运动轨迹；计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差；构建各支路的同步误差；构建基于同步误差的开关曲面函数；基于所建立数学模型，设计同步光滑滑模控制律；计算冗余并联机构各支路电动机驱动控制量；将冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量发送给各个电动机驱动器，驱动冗余并联机构末端执行器实现期望运动。

【技术实现步骤摘要】
多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统
本专利技术涉及一种并联机构的运动控制，尤其涉及由交流伺服电动机驱动的冗余并联机构的运动控制。
技术介绍
并联机构由于具有刚度大、结构紧凑、承载能力强等优点得到了越来越广泛的应用。采用冗余驱动的并联机构可以避免并联机构的奇异性，从而改善并联机构的性能，但冗余并联机构各支路间存在强耦合，在并联机构高速周期性运动的情况下会严重影响并联机构系统的稳定性和控制精度，而且多自由度冗余并联机构的数学模型难以精确建立，这些都给并联机构的高性能运动控制带来很大的困难。“虚拟轴机床并联机构的无抖振滑模控制”（高国琴，罗燕等，第29届中国控制会议，2010，pp.5670-5675）一文中提出一种用于六自由度并联机构的光滑滑模控制方法，该方法无需精确建立并联机构的数学模型、易于设计、易于实现，而且克服了传统滑模控制的抖振问题。但是该方法从本质上讲属于各支路独立控制的形式，未能针对虚拟轴机床在机械结构上具有多个运动支链的特点解决多个支链间的耦合协调同步问题，因此不能保证在较高速度时并联机构各支路的运动协调性能。文献“平面二自由度冗余并联机器人同步控制”（米建伟等，机械科学与技术，第30卷第2期，2011年2月，第279—285页）中提出一种用于平面二自由度冗余并联机构的前馈同步控制，该控制器基于简化动力学模型设计，通过引入同步误差函数，抑制因将惯性力矩阵和离心力矩阵取为常数矩阵所带来的模型不确定性对系统的影响，并保证各个控制关节同步。但其控制器设计仍需依赖其动力学模型，对于多自由度冗余并联机构，尤其是大于二自由度的高自由度冗余并联机构来说，其动力学模型是多参数耦合的复杂系统，难以精确建立，因此该控制方法难以实际实现。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，提出一种基于同步误差的多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法和系统，以解决多自由度冗余并联机构各支路之间运动的同步协调性问题，从而进一步提高其运动性能。本专利技术采用的一个技术方案如下：多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法，包括以下步骤：1）以电动机驱动器和电动机为被控对象，冗余并联机构为负载，建立带干扰项的并联机构各支路的数学模型；2）根据实际要求对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划获得其期望运动位姿，然后基于冗余并联机构的运动学逆解求解该期望位姿的反解，确定在实现冗余并联机构末端执行器期望运动过程中冗余并联机构各支路驱动电动机的期望运动轨迹；3）利用增量编码器检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态，并计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差；4）构建多自由度冗余并联机构各支路的同步误差；5）构建基于同步误差的开关曲面函数；6）基于步骤1所建立数学模型，设计同步光滑滑模控制律；7）计算冗余并联机构各支路电动机驱动控制量；8）将冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量发送给各个电动机驱动器，驱动冗余并联机构末端执行器实现期望运动。本专利技术采用的另一个技术方案如下：多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制系统，由输入装置、若干并联的支路和并联机构末端执行器组成，所述输入装置输入各支路驱动电动机的期望运动轨迹至对应的支路，各支路输出控制量驱动冗余并联机构末端执行器，每个支路由依次连接的同步误差计算模块、光滑滑模控制器、驱动电机和滚珠丝杠组成，在驱动电机的输出端和同步误差计算模块的输入端之间还设有增量编码器；所述增量编码器，用于检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态；所述同步误差计算模块，用于计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差，并根据基于同步误差的开关曲面函数计算各个支路的同步误差；所述光滑滑模控制器，用于根据同步光滑滑模控制律，计算各个支路电动机驱动控制量。作为本专利技术的进一步改进，所述基于同步误差的开关曲面函数为：其中a、b取正常数，esi为各支路的同步误差，s是预先规定的基于同步误差的滑动函数；所述同步光滑滑模控制律为：u＝ueq+γs（2）式中，ueq是基于同步误差的等效控制项，它是忽略系统不确定性和干扰时维持滑模的控制项，可由电机模型、切换函数及同步误差求取；γ是正常数，s是预先规定的基于同步误差的滑动函数；所述各支路电动机驱动控制量为：其中，当i=1时，ei-1＝en，当i=n时，ei+1＝e1；为本支路电动机期望角位移的三阶导数。本专利技术首次将同步误差与光滑滑模控制相结合应用于多自由度冗余并联机构的运动控制，其特点和有益效果是：所引入同步误差，与传统的误差不同，不仅包含了并联机构各支路的跟踪误差信息，同时还包含了相邻支路的误差信息。将同步误差应用到冗余并联机构的光滑滑模控制中，不仅保留了光滑滑模控制无需建立动力学模型而能使并联机构各控制支路收敛速度快，跟踪性能好，鲁棒性强的优点，而且基于同步误差的光滑滑模控制方法，能够使得并联机构各控制支路的跟踪误差和同步误差同时收敛到零，从而有效提高冗余并联机构各支路间的运动同步协调性。附图说明图1是并联机构的同步光滑滑模控制系统示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明。首先，建立带有电动机驱动轴干扰项的多自由度冗余并联机构各个控制支路被控对象数学模型；其次，根据实际要求对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划，根据运动学位姿反解，确定在实现并联机构末端执行器期望运动过程中冗余并联机构各支路驱动电动机的期望运动轨迹θd；然后，利用增量编码器检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态θ，并计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的误差e；构建各个支路的同步误差ε；依据同步误差设计开关曲面函数s；结合同步误差完成同步光滑滑模控制律设计，并计算多自由度冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量；将计算出的控制量发送给各个电动机伺服放大器，最终驱动多自由度冗余并联机构实现期望运动。具体方法如下：1、建立带有电动机驱动轴干扰项的多自由度冗余并联机构各个控制支路被控对象数学模型以状态空间方程建立有电动机驱动轴干扰项的并联机构各个控制支路被控对象数学模型为：其中xi＝θ∈R为支路电动机的实际运动角位移，单位为rad；u∈R为系统的控制输入，也就是发送给电动机伺服放大器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法，其特征是采用如下步骤：1）以电动机驱动器和电动机为被控对象，冗余并联机构为负载，建立带干扰项的并联机构各支路的数学模型；2）根据实际要求对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划获得其期望运动位姿，然后基于冗余并联机构的运动学逆解，求解该期望位姿的反解，确定在实现冗余并联机构末端执行器期望运动过程中冗余并联机构各支路驱动电动机的期望运动轨迹；3）利用增量编码器检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态，并计算每个支路电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差；4）构建多自由度冗余并联机构各个支路的同步控制误差；5）构建基于同步误差的开关曲面函数；6）基于步骤1所建立数学模型，设计同步光滑滑模控制律；7）计算冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量；8）将冗余并联机构各个支路电动机驱动控制量发送给各个电动机驱动器，驱动冗余并联机构末端执行器实现期望运动。

【技术特征摘要】
1.一种多自由度冗余并联机构的同步光滑滑模控制方法，其特征是采用如下步骤：1)以电动机驱动器和电动机为被控对象，冗余并联机构为负载，建立带干扰项的并联机构各支路的数学模型；2)根据实际要求对冗余并联机构末端执行器进行轨迹规划获得其期望运动位姿，然后基于冗余并联机构的运动学逆解，求解该期望运动位姿的反解，确定在实现冗余并联机构末端执行器期望运动过程中冗余并联机构各支路驱动电动机的期望运动轨迹；3)利用增量编码器检测冗余并联机构各个支路驱动电动机的实际运动状态，并计算每个支路驱动电动机期望运动状态与实际运动状态的偏差；4)构建多自由度冗余并联机构各个支路的同步误差：其中r为一正常数；ei＝θdi-θi为多自由度冗余并联机构第i支路驱动电动机运动的跟踪角位移误差，θdi为第i支路驱动电动机期望运动角位移，i＝1,2……n，θi为第i支路驱动电动机实际运动角位移，i＝1,2……n，当i＝1时，ei-1＝en；当i＝n时，ei+1＝e1，n为并联机构的总支路数；5)构建基于同步误差的开关曲面函数：其中a、b取正常数，esi为各支路的同步误差，s是预先规定的基于同步误差的滑动函数；6)基于步骤1)所建立数学模型，设计同步光滑滑模控制律：u＝ueq+γs(2)式中，ueq是基于同步误差的等效控制项，它是忽略系统不确定性和干扰时维持滑模的控制项，可由电动机模型、切换函数及同步误差求取；γ是正常数，s是预先规定的基于同步误差的滑动函数；7)计算冗余并联机构各个支路驱动电动机驱动控制量：其中，g(x)，f(x)是充分光滑的具有相应维数的函数，可根据驱动电动机驱动轴设置和电动机参数直接确定，当i＝1时，ei-1＝en，当i＝n时，ei+1＝e1；为第i支路驱动电动机期望运动角位移的三阶导数；8)将冗余并联机构各个支路驱动电动机驱动控制量发送给各个驱动电动机驱动器，驱动冗余并联机构末端执行器实现期望运动。2.一种多自由...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国琴，温娟，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：