柔性遥操作机器人系统的滑模变结构控制.pdf

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1、第27卷第8期计算机仿真2010年8月文章编号：1006—9348(2010)08—0137—04柔性遥操作机器人系统的滑模变结构控制王春景，曾庆军(江苏科技大学电子信息学院，江苏镇江212003)摘要：针对遥操作机器人系统，在空间与医疗手术中应用时出现的从机械臂柔性问题，为了提高跟踪性能，采用拉格朗日法结合假设模态法，建立了末端有集中质最的单连杆柔性从机械臂的动力学模型。在此基础上，设计了一种基于柔性从机械臂的遥操作机器人系统的新型滑模变结构控制方案。进行实例仿真，结果表明，控制方案能有效地抑制柔性从机械臂的弹性振动，自由运动情况下

2、系统能较好地实现位置跟踪。关键词：遥操作机器人；柔性机械臂；滑模变结构控制；位置跟踪中图分类号：1睨42文献标识码：ASliding——ModeControllerforaFlexibleTele-—manipulationRobotSystemWANGChun-jing，ZENGQing-jun(SchoolofElectronicandInformationEngineering，JiangsuUniversityofScienceandTechnology，ZhenjiangJiangsu212003，China)ABSTRAC

3、T：FortheslaveflexibilitywhichOCCUI喝inspaceandsurgicalapplicationsofatele—manipulationrobotsystem，thedy．amicmodelforsingle—linkflexibleslavearmwithcentralizedInsg晦satitsendisestablishedbyapply-ingLggrangeandassmnedmodemethods．Basedonthat，anewshdingmodevariablestructu_陀co

4、ntrolprogramforthetele—manipulationrobotsystemwithflexibleslavemanipulatorisdesigned．Thesimulationresultsofanexampleshowthatthecontrolstrategycaneffectivelyinhibittheflexibihtyoftheelasticvibrationfromtheslavemanipulatorandattainbettertrackingofplacementinthefreespace．K

5、EYWORDS：Tele—-manipulationrobot；Flexiblemanipulator；Sliding——modecontrol；Placementtracking1引言遥操作机器人是指在人的操纵下能在人难以接近(距离遥远、对人有害或操作有难度)的环境中完成比较复杂的精细操作的一种远距离操作系统⋯。遥操作机器人系统主要包括操作者、主机械臂(或主机器人)、通信控制环节、从机械臂(或从机器人)和作业环境等五大部分。通常情况下主／从机械臂都是采用刚性关节和刚性臂杆。随着机器人技术不断向高速度、高加速度、高精度和轻量化等的发展

6、，对机器人性能提出了新要求，如重量轻以降低能耗，运行速度快以提高效率，定位精度高以适应精密作业以及特殊结构(如超长机械臂)以适应特殊工作环境，例如航天器中的细长机械臂、空间站上的大型可展天线、太阳能帆板、高速激光切割机器人等。因此对柔性机器人或柔性机械臂的研究引起了国内基金项目：国家自然科学基金资助项目(60575051)收稿日期：2009—05—21修回日期：2009—07一09外学者的广泛关注。在过去二十多年中，国内、外学者对柔性机器人的研究取得了大量的成果，包括动力学建模、振动控制、运动和动力规划等。Canon和Schmitz对

7、柔性臂机器人在传感器和驱动器不同时存在下的控制做了先驱性的工作BJ，Dwivedy和Eberhard对柔性关节和柔性臂杆机器人系统的动力学分析和控制方法进行了广泛的综述¨】。遥操作机器人系统和柔性机械臂系统是机器人领域研究的两个重要方向，但两者结合的带有柔性的力反馈遥操作机器人研究才刚刚起步，因此开展此方面的基础研究对于我国的机器人技术发展及其在空间、医疗等领域的应用均有着十分重要的意义。关节柔性和连杆柔性的出现，遥操作系统的动力学特性发生变化，使得以前基于刚性机械臂的控制方法不再有效或精确。本文首先对柔性遥操作机器人系统建立合理的数

8、学模型，然后设计了一种新型的滑模变结构控制方案，并进行实例仿真。仿真结果表明了该方案的有效性，系统能较好地一137—实现自由运动下的位置跟踪。2遥操作机器人系统建模2．1常规遥操作机器人系统模型常规的主从式遥操作机器人系