Backstepping在柔性关节机械手控制中应用研究.pdf

杌槭设计与制造
2010年6月
achine
Design & Manufacture
文章编号:1001-3997(2010)06-008]-02
Backstepping在柔性关节机械手控制中应用研究
谭雪松张延敏
(四川农业大学信息与工程技术学院,延安625014
Research on flexible-joint robot control based on backstepping
TAN Xue-song, ZHANG Yan-min
(School of Information and En ineerin Sichuan Agricultur University, Yaan 625014, China
摘要」給出了柔性关节机械手的动力学模型,针对该模型,将反演算法引入杋械手的运动控制中,
设计了控制器及控制律,利用山 yapunov函数迁明了系统的稳定。采用 Adams与 Simulink联合仿真的方法
对单臂机械手进行运动仿真,通过实例表明,该方法在柔性关节机械手运动轨迹跟踪中具有一定的可行性
关键词;柔性;反演算法;联合仿真;轨迹跟踪
Abstract The dynamics model of ftexible-oint robot had been ublished for this model, the back
ing arithmetic had been proposed in the control f this model, and a controtler and the cortrol law
had been designed, the stability of this model had been proued by Lyapunov. Adams and Simulink had
been used asas an unite to emulate this model, the resuls show that, the proposed control strategy gites d
1 good tracking performance
Key words
Flexible; Backstepping; Emulate unite; Trackin,,.zw
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中图分类号:H12,TP24文献标识码:A
系统(1)为非线性时变并且是高度耦合系统,将其用状态空
由于空间技术和机器人技术的发展,柔姓多体系统动カ学的向向虽表示,即取x1=?,=,x=の=小:系統(1)可写为
研究受到了很人的关注。柔性机械臂作为柔性多体系统动力学分
析亅制理论研究最直接的应用对象,由于其具有简明的物理模
xix=-( Mglsinx,+R(1 xi)
型以及易于算机和实物模型实验实现的特点,已称为发展新
代机器人利航空航天技术的关鍵性課题。与性机被臂相比,柔
a=,(-K(x、-x1)
性机械臂具有可实现高速操作的能力、较高的负载自重比、较低
将(2)式受换为
的能粍和较低的生产成本以及具有更大的T.作空间等优点
柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统,具动力学方程只
有高度非线性、强耦合性以及时变等特点,由于性机械臂具有
弹性变形及振动,直接影响系统的稳定与控制精度-?。
式中:x=L
状态变量。对比(2)式与(3)式,可得
建立了柔性关节机械手动力学模型,采用 Asians建立物興
模?,针对该模型、将反演算法引入机械于的控制屮,利用 Adams
g x)=ymglsinxi-k(x-x/1 xj=K(xm-x3. 1/, n-1//
与 Simulink联合仿真,实例表岄,该方法很好的实现∫机械手的
对于无模型控,假设g(x)、f(x)、m未知,但m下界n已
知,m≥m且
轨迹跟踪。
2柔性关节动力学模型
3控制器的设计
对于柔性系统,存在巾间廪拟变量,囚此存在冗余自由度,翁
由于电机的特性,在电机输人轴与输出之同可以看作是刚性、控制器的设计帯来不便。 Backstepping(反演)算法又称为反算法,
準资特性,因此在高速精度运动控中,应该考虑机械手的关是利用通推的方法实现挖制器的设计,不受状态变量的制约,
节柔性。对于单臂机械手,其柔忭关节机器人动力学方程为:
此本文采用反演算法设计柔性关节控制器
li, +lg/ sing +((1-/2)=0)
采用无需模型的反演制,控制器设计是坛于 vapid稳
J2+K(g2-9:)=a
性原则,县体的控制器设计歩骤如ド
式中:91∈R"与g2∈R一柔性力臂利电机的转动角度;K一柔性(1)定义c1=x1-x,取x=y:为位置指令,则
力臂的刚度;∈R"一控制输人:一电机的转动惯量;-柔
性力臂的转动惯量;一柔性力臂的质量;L一柔性力臂重
心至关节的长度
来稿期:2009-08