基于空间机械臂关节齿隙补偿的滑模控制策略研究

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1、第8卷第6期Vol.8No.62015年3月March2015基于空间机械臂关节齿隙补偿的滑模控制策略研究*何诗文，贾庆轩，陈钢（北京邮电大学自动化学院，北京100876）摘要：为提高空间机械臂运行性能，提出一种补偿空间机械臂柔性关节齿隙非线性影响的控制方法。考虑齿侧间隙的空间机械臂柔性关节模型，将关节间隙的非线性影响归纳为扰动项，提出基于扰动观测器（disturbanceobserver，DOB）的滑模控制策略，消除间隙的非线性影响。为解决空间机械臂柔性关节模型存在强非线性以及耦合问题，采用微分几何反馈线性化的解耦方法对上述关节

2、控制系统进行线性化处理，最终实现了空间机械臂柔性关节的补偿控制。仿真结果表明：DOB结合滑模控制策略可有效补偿间隙对系统位置精度的影响，与单纯的滑模控制策略相比，提高了轨迹跟踪精度，同时抖动现象明显减小。关键词：机器人控制；柔性关节模型；扰动观测器；齿隙；滑模控制中图分类号：TP13文献标识码：A文章编号：1674-2850(2015)06-0614-12AnovelslidingmodecontrollerdesignofspacemanipulatorforbacklashcompensationHEShiwen,JIAQin

3、gxuan,CHENGang(SchoolofAutomation,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876,China)Abstract:Inordertoimprovetheoperatingperformance,anovelcontrolmethodtocompensatethebacklashofspacemanipulatornonlinearitywasproposed.Consideringthenormalelasticjointmod

4、elofspacemanipulatorwithbacklash,nonlinearityofbacklashwastreatedastorquedisturbance,whichenteredthesystematthelocationofbacklash.Thenaslidingmodecontrollerbasedondisturbanceobserver(DOB)wasconductedtoeliminatethenonlinearitydisturbance.Tosolvetheproblemsofcoupleandst

5、rongnonlinearityofelasticjoint,adecouplingmethodbasedonfeedbacklinearizationindifferentialgeometrywasusedtohandlethecontrolsystem.Eventually,thebacklasheffectwaseliminatedandcompensatedusingtheproposedmethod,whichwasverifiedbythesimulationresults.Theresultsindicatetha

6、tnotonlythenovelmethod,DOBcombinedwithslidingmode,canimprovethetrackingprecision,butobviouslyreducethechatteringandimprovetrackingprecisioncomparedwithsingleslidingmodecontrol.Keywords:robotcontrol;elasticjointmodel;disturbanceobserver;backlash;slidingmodelcontrol0引言行

7、星齿轮传动关节由于承载能力大、可靠性高、寿命长等特点，已被长寿命周期的大型空间机械臂广泛应用。在太空运行过程中，关节传动部分通常采用齿轮啮合传动，对于一对相互啮合的齿轮，齿隙总是客观存在，然而间隙的存在会导致空间机械臂在运行过程中剧烈振动，使得空间机械臂工作精度降作者简介：何诗文（1989—），女，硕士研究生，主要研究方向：伺服系统智能控制通信联系人：陈钢，副教授，主要研究方向：空间机器人.E-mail:buptcg@gmail.comVol.8No.6March2015何诗文等：基于空间机械臂关节齿隙补偿的滑模控制策略研究615

8、低，进而导致空间机械臂执行任务失败。特别地，随着空间机械臂运行时间的推移，磨损使得间隙不断[1~4]增大，将进一步导致空间机械臂的精度和操作性能降低，直至不能满足使用要求而失效。故有必要对间隙非线性特性和关节齿隙补偿控制策略进行研究。一般来说，提高