基于T-S模糊系统的漂浮基空间机器人关节协调运动的分散自适应滑模控制.pdf

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1、2014年12月机械设计与制造工程Dec．2014第43卷第12期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．43No．12DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2014．12．004基于T—S模糊系统的漂浮基空间机器人关节协调运动的分散自适应滑模控制高兴山，陈力(福州大学机械工程及自动化学院，福建福州350108)摘要：针对载体位置和姿态均不受控的漂浮基空间机器人系统动力学方程难以预知的情况，提出了一种基于模糊逻辑系统的分散自适应滑模控制方案。利用第二类拉格朗日方法建立了空间机器人

2、系统动力学方程。针对空间机器人的每一个自由度，将其动力学描述为分散交联子系统的集合。使用T—S模糊逻辑系统逼近子系统未知的动力学模型，然后设计自适应滑模控制器消除交联项和模糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响，并用Lyapunov理论证明控制器的稳定性。这种控制方法不需要预知系统动力学方程。数值仿真结果证实了该分散控制器的可靠性和有效性。关键词：空间机器人；分散控制；自适应滑模控制；模糊系统中图分类号：TP242．3文献标识码：A文章编号：2095—509X(2014)12—0016—04空问机械臂在人类探索太空过程中将发挥越l漂浮基空间机器人理论模型

3、来越重要的作用，因此对其动力学及控制问题的研1．1系统动力学方程究工作受到了科研人员的广泛关注¨。在太空环如图1所示，以作平面运动的两杆漂浮基空间境下，考虑让载体位置和姿态均处于不控状态以减机器人系统为例，该模型为一无根多体系统。其中少燃料的消耗，这使得机械臂与载体之间存在着强为系统载体，曰。，B为机械臂分体。C点为系统烈的动力学耦合作用；同时，空间机器人工作环境的总质心，0∞，0们和0为各分体质心且0。与0c。恶劣，外部扰动不可避免，如姿态控制过程消耗燃重合，0和0为两个关节转动铰中心。建立图I所料造成质量变化等；此外，空间机械臂系统结构复示的

4、平动惯性坐标系(0一XY)及各分体B的主坐杂，很难获得机械臂系统精确的惯性参数。为解决标系(0—X)。选取载体的位置坐标。和Y。、姿这些实际问题，研究人员对空间机器人的控制技术态角0。与两个关节铰的相对转角0，和为广义坐进行了深入的研究。标，利用第二类Lagrange方程，建立该载体位置和最近，分散控制在机械臂中的应用引起了人们姿态均不受控的漂浮基空间机器人系统欠驱动动的重视。分散控制结构清晰，更具有柔性，容力学方程：易用软件进行模块化的控制器设计，实现并行计．．．．，0、M(q)q+c(q，q)q=(、7，I(1)算。本文讨论了载体位置、姿态均

5、不受控情况下，漂浮基空间机器人关节协调运动的控制问题。针式中：g：(，Yo，Oo，8，0)，为系统的广义坐标向对漂浮基空间机器人系统分散化处理后的模型，采量；M(口)∈R，为正定、对称的质量矩阵；用T—S模糊逻辑系统逼近关节铰子系统动力学C(q，)∈R，为包含离心力、科氏力的列向量；模型，然后设计自适应滑模控制器抵消交联项和模=(r，r：)，为两个关节铰的控制力矩组成的列向糊逼近误差对轨迹跟踪性能的影响，保证系统关节量。铰的轨迹跟踪。最后对所设计的分散控制算法进1．2系统模型的分散化处理行了数值仿真分析。为设计分散控制律，将空间机器人系统划分为收

6、稿日期：2014—12—0l基金项目：国家自然科学基金资助项日(11372073)作者简介：高兴山(1989一)，男，河北唐山人，福州大学硕士研究生，主要研究方向为空间机器人系统动力学及控制。·16·2014年第12期高兴山：基于T—S模糊系统的漂浮基空间机器人关节协调运动的分散自适应滑模控制铰期望运动q=(0，02)，即设计分散的丁使系统满足lime=0(i=4，5)。2．2分散控制器设计定义跟踪误差e和滑模变量s如下：eiq—qase+cieq—q(4)式中：=q‘一cie，c为正常数。假设1交联项Z(q，，孑)是有界的，并且满足5．．．f(

7、q，q，g)f≤dsj(5)图1漂浮基空间机械器人系统式中：d>10；s，=1+Is+I5。求S对时间的导数并结合式(2)，子系统的误若干个子系统，这些子系统通过关节耦合力矩相互差动力学方程可以表示为交联。对系统动力学方程(1)进行分散化处理，子J7I(g)=一(z)一Z(q，，)一c(q。，)·系统的动力学方程可以描述为：S+(6)M(q)q。。+C(q，)+Z(q，q，g)=在式(6)中，非线性函数(z)为(i=1，2，3，4，5)(2)(z)=M(g)q—+c(q，)(7)Z(q，q，q)=式中：z=(q，q’，gm，q’m)。{M(口)+

8、[(霉)一M(q))+：由属性1和属性2可知，非线性函数(Z)是有界的，根据T～S模糊逻辑系统通用逼近定{Co(g，)+[C(g，)一C