滑動模塊控制在機器人控制中的應(yīng)用

1、【 摘 要 】 論文首先分析了滑動模塊的 原理,指出機器人控制中滑?？刂剖莻€有效 的方法, 進一步對機器人手臂進行了建模, 結(jié) 合滑模設(shè)計過程, 通過實驗驗證了其有效性 。 【 關(guān)鍵詞 】 滑動模塊 機器人手臂 系統(tǒng) 建模 機械設(shè)計 自控引言機器人是由機械本體 、 控制器 、 伺服驅(qū)動 系統(tǒng)和檢測傳感器裝置構(gòu)成的,一種能仿人 操作 、 可自動控制 、 重復(fù)編程 、 并能在三維空 間完成各種作業(yè)的機電一體化設(shè)備 。 機器人 作為一種新型的生產(chǎn)工具, 在減輕勞動強度, 提高勞動生產(chǎn)率, 把人從危險 、 惡劣的環(huán)境下 解放出來等方面顯示出極大的優(yōu)越性 。 機器 人的應(yīng)用越來越廣泛, 幾乎滲透到所有領(lǐng)

2、域 。 機器人的核心 -機器人控制在目前的條件下 要達到要求還有很多困難,因此機器人控制 成為機器人研究的一個重要方向 。1. 傳統(tǒng)控制方法以及現(xiàn)代控制方法 傳統(tǒng)的機器人控制方法一般是 PID 控 制 。 PID 控制雖然簡單 、 可靠, 能根據(jù)位置跟蹤 誤差和速度跟蹤誤差乘以相應(yīng)的靜態(tài)增益來 確定控制量, 但控制系統(tǒng)的動態(tài)性能不好 、 精 度不高 、 魯棒性差 。隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展,很多先 進的控制理論得到了應(yīng)用 。 其中一個重要方 向就是便結(jié)構(gòu)控制 。 變結(jié)構(gòu)控制就是當系統(tǒng) 狀態(tài)點穿越狀態(tài)空間不同區(qū)域時,反饋控制 器的結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律變化,使得控制系統(tǒng) 對被控對象在內(nèi)的參數(shù)變化和外

3、部擾動具有 一定的適應(yīng)能力,保證系統(tǒng)性能可以達到期 望的指標要求 。 變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)中存在的 不確定性具有極強的魯棒性,是一種典型的 非線性控制變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)能夠通過控制器 本身結(jié)構(gòu)的變化,使得系統(tǒng)性能保持高于一 般固定結(jié)構(gòu)控制所能達到的性能,突破了經(jīng) 典線性控制系統(tǒng)的品質(zhì)限制,較好地解決了 動態(tài)和靜態(tài)性能指標之間的矛盾 。2. 滑動模塊控制的基本原理分析滑模變結(jié)構(gòu)控制是變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的一 種控制策略,是一種處理線性和非線性系統(tǒng)的魯棒控制方法 。 這種控制與常規(guī)控制的根本區(qū)別在于控制的不連續(xù)性,即一種使系統(tǒng)“ 結(jié)構(gòu) ” 隨時間變化的開關(guān)特性 。 該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定特性下沿規(guī)定的狀態(tài)

4、軌跡作小幅度 、 高頻率的上下運動,即所謂的“ 滑動模態(tài) ” 或 “ 滑模 ” 運動 。 它利用一種特殊的滑?？刂品绞?強迫系統(tǒng)的狀態(tài)變量沿著人為規(guī)定的相軌跡滑動到平衡點 。 如圖 1所示, 滑模面 s(x=0將狀態(tài)空間分成上下兩部分 s<0和 s>0。 系統(tǒng)的初始狀態(tài)未必在該滑模面上,而滑模變結(jié)構(gòu)控制器的作用就在于把系統(tǒng)的狀態(tài)在有限時間內(nèi)驅(qū)使到該滑模面,并沿著該滑模面一直滑動到平衡點 。 一旦運動點趨近于滑模面, 就會被 “ 吸引 ” 到滑模面上來, 狀態(tài)軌線到達滑模面以后, 就會沿著此滑模面收斂到原點, 這種沿 s(x=0滑動至原點的特殊運動稱為滑模運動,這是一種在任何固定結(jié)構(gòu)

5、下都沒有的運動 。 整個過程包括趨近模態(tài)和滑動模態(tài) 。一個好的變結(jié)構(gòu)控制器通常要求具有良好的動態(tài)品質(zhì),一個動態(tài)品質(zhì)良好的變結(jié)構(gòu)控制器既要保證控制系統(tǒng)的快速性和魯棒性, 又要能夠有效地削弱抖振 。 這同時體現(xiàn)在趨近過程和滑動過程中 。 在趨近過程中, 系統(tǒng)不具有魯棒性 。 加快趨近過程的速度以減少系統(tǒng)停留在趨近過程的時間,可以間接的提高系統(tǒng)的魯棒性 。 同時, 合理的設(shè)計趨近速度能夠有效的削弱抖振 。 在滑動過程中, 系統(tǒng)在穩(wěn)定的同時, 也要快速的收斂到平衡點, 以達到理想的誤差效果 。3. 基于滑動模塊的機器人手臂為方便快捷地讓機器人手臂接近目標,目標拾取機器人手臂的行走機構(gòu)采用 4輪車輪式行

6、走機構(gòu), 其結(jié)構(gòu)簡單, 轉(zhuǎn)彎半徑小, 轉(zhuǎn)向靈活 。 車體前方的導(dǎo)向和支撐輪以及后面的兩個同軸驅(qū)動輪可實現(xiàn)機器人手臂在地面 上的平動和轉(zhuǎn)動, 驅(qū)動輪繞輪軸轉(zhuǎn)動, 自由度 為 1, 導(dǎo)向和支撐輪既要繞輪軸轉(zhuǎn)動, 整體相 對車身又要隨時調(diào)整方向, 自由度為 2, 共有 3個自由度; 通過控制安裝在軸上的直流電機 轉(zhuǎn)速, 控制車子的行走速度 。機器人手臂結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)型,它具有仿 人臂結(jié)構(gòu), 與其它結(jié)構(gòu)形式相比, 易于確定三 維空間中的任意位置和姿態(tài) 。 為實現(xiàn)目標取 物, 機器人手臂要完成的動作包括:機械大臂 水平方向回轉(zhuǎn)至目標位置;兩個小臂垂直方 向旋轉(zhuǎn), 提供升降動力, 定位于目標; 手部的 張合

7、拾取物體,手臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動通過步進 電機驅(qū)動齒輪, 由齒輪傳動來實現(xiàn) 。 以上分析 表明, 機器人手臂整體需要 3個轉(zhuǎn)動自由度, 總體設(shè)計方案如圖 2所示 。機器人手臂的手部機構(gòu)根據(jù)被抓取工件 的形狀 、 尺寸 、 質(zhì)量 、 易碎性 、 表面粗糙度的不 同,最常見的形式有磁吸式 、 氣吸式和鉗爪 式 。 考慮制造成本 、 被拾取物體的多樣性, 采 用結(jié)構(gòu)簡單 、 適用范圍廣的鉗爪式 。 為開闊用 戶的視野, 第三關(guān)節(jié)小臂設(shè)置攝像頭, 可在顯 示器上顯示拾取的目標 。4. 機器人手臂控制設(shè)計滑模控制器是基于相平面的控制,其基 本的思想是設(shè)計一預(yù)定的滑模面,然后將從 任意一點出發(fā)的狀態(tài)軌跡通過控制

8、器的作用 引導(dǎo)到設(shè)定的滑模面,同時保證系統(tǒng)在滑模 面上的運動是漸近穩(wěn)定的 。取控制系統(tǒng)的狀態(tài)變量為式中 為給定目標; 為機器人的實際 位置 。 (下轉(zhuǎn)第 282頁 滑動模塊控制在機器人控制中的應(yīng)用文 / 朱文靜 2662010.4CHINA EQUIPMENT(上接第 266頁 為了使系統(tǒng)無超調(diào)地到達穩(wěn)定,選擇一 階滑模面 , s 為滑模面為了提高系統(tǒng)正常運動段的動態(tài)品質(zhì), 采用新的變指數(shù)趨近律來設(shè)計機器人手臂的 滑模變結(jié)構(gòu)控制器 。 設(shè)定變指數(shù)趨近律為:式中 為可設(shè)定的變指數(shù)趨近律參 數(shù) 。 可以求得變指數(shù)趨近律的滑?？刂破鞯?控制律為從趨近律和控制器的控制率可以看出, 在滑模面以外的運動中

9、,系統(tǒng)運動點是呈指 數(shù)方式趨向滑模面運動, 當接近滑模面時, 系 統(tǒng)進入切換帶,穿越滑模面的運動和誤差的 絕對值 成比例, 因此, 幅度 會越來越小, 理想情況最終會穩(wěn)定到原點, 誤 差為零, 導(dǎo)致抖振的滑模切換項 消失, 抖振消除 。 通常 可以設(shè)定得比較小, 值可以設(shè)定較大值, 這樣, 系統(tǒng)會以較快的速度進入滑模面, 同時, 當進入滑模面以后, 滑模面切換帶的速度卻十分小, 不會產(chǎn)生大的抖振,更快地趨近于原點 。5. 實際應(yīng)用本文中的機器人手臂所需精度不很高,力矩也不要太大 。 縱軸 (Z軸 、 橫軸 (Y軸 和手轉(zhuǎn) 動 電 機 選 用 的 是 廣 州 瑞 寶 公 司 的17HD0005-

10、18型兩相混合式步進電機,步距角為 1.8°,電流 DC 0.28A/相,最大靜力矩 160×10-3N ·m 。 旋 轉(zhuǎn) 底 座 選 用23HD0020-25型步進電機,步距角為 1.8°,電流 DC 0.6A/相, 最大靜力矩 330×10-3N ·m 。 所選用的步進電機驅(qū)動器是 RB2304ME型細分驅(qū)動器,驅(qū)動電壓為 DC1240V , 采用雙極恒流斬波方式, 可減少電機噪音 。 輸出電流從 03A/相連續(xù)可調(diào) 。 設(shè)有 12/8檔等角恒力矩細分, 最大 200細分 。 輸入信號光電隔離, 標準單脈沖接口, 有脫機保持功能,

11、 半密 閉式機殼可適應(yīng)更惡劣的工況環(huán)境,提供節(jié) 能的自動半電流方式, 減少電機發(fā)熱 。 機器人 手臂的各個動作由滑動模塊控制,它不僅能 滿足機器人手臂手動和自動等操作,而且有 著良好的動態(tài)特性與反應(yīng)力,事實證明滑膜 控制對機器人手臂的有效性 。參考文獻1張昌凡, 王握南 . 滑模變結(jié)構(gòu)的智能控 制及其應(yīng)用 . 中國電機工程學(xué)報, 2001, 21(3: 27-29.2LINC K. Nonsingular Terminal Sliding Mode Control of Robot Manipulators Using Fuzzy Wavelet Networks. IEEE Transact

12、ions on Fuzzy Systems,2006,14(6:849-859.3董文杰, 徐文立 . 移動機械手的魯棒控 制 . 控制理論與應(yīng)用, 2002,19(3:345-348. (作者單位:中國天津工業(yè)大學(xué)機械電子 學(xué)院機選用 ZYJ269/168型鉆機, 孔徑 75mm 。 抽放鉆場管路采用 150mm 抗靜電阻燃玻璃鋼管, 敷設(shè)至回風(fēng)巷里, 利用瓦斯抽放泵將瓦斯抽排至地面 。2.3利用電腦進行瓦斯抽放參數(shù)曲線分析, 選擇鉆場 、 鉆孔長度及鉆孔終孔間距, 確保抽出瓦斯效果最佳 。3. 效果分析:3.1七臺河分公司新立煤礦回采三水平二片左 90層是實施薄煤層采煤工作面瓦斯綜合抽放技術(shù)效果最佳的工作面,達到穩(wěn)定可靠的抽放效果, 實現(xiàn)安全生產(chǎn), 工作面月產(chǎn)量穩(wěn)定在 30000噸左右,扭轉(zhuǎn)在回采三水平二片左 90層上部層時因抽放效果不理想, 一度停產(chǎn)進行處理瓦斯 。3.2三水平二片左 90層采用薄煤層采煤 工作面瓦斯綜合抽放技術(shù),瓦斯抽放存量增 加 4.59m 3/min, 通過瓦