[发明专利]一种多轴串联机械臂的自抗扰控制方法

说明书

本发明公开了一种多轴串联机械臂的自抗扰控制方法，属于串联机械臂控制技术领域，包括以下步骤：S1：建立电机位置的动态数学模型；S2：设计自抗扰控制器；S3：估计系统总扰动并补偿。本发明具有更快的响应速度和更强的抗干扰能力，并且实现了无超调的跟踪；采用新型非线性函数，在原点附近具有更好的平滑性、连续性和可导性，同时也具有比传统ADRC更好的高频颤振抑制能力和自抗扰能力；将卡尔曼滤波器引入扩张状态观测器，可以有效地估计系统总扰动，包括外部扰动、轴间的耦合作用和构件间的摩擦力；经仿真和试验结果表明，该控制方法具有良好的静态性能、动态品质和抗干扰能力，可为连杆机构的研究提供参考，具有很高的工程实用价值。

技术领域

本发明涉及串联机械臂控制技术领域，具体涉及一种多轴串联机械臂的自抗扰控制方法。

背景技术

在现代工业生产中，工业机器人已经在很多工作环境恶劣，劳动量大，高精度、重复性高的领域代替人类进行生产制造。多轴串联机械臂作为这一类结构特点明显的机器人，其最基本的功能即能够接受指令，完成定位和轨迹跟踪工作。多轴串联机械臂的定位与轨迹跟踪控制，可以总结为从机器人动力学出发，操纵关节的驱动力矩，使得机械臂的位置与姿态根据任务的要求进行快速而稳定精确转换，形成稳定的闭环系统，尽可能快地让关节状态跟踪设定值，完成作业任务。目前对多轴联动机械臂的常规控制策略有PID控制、神经网络控制、自适应控制、滑模控制、鲁棒控制。

但是由于机械臂复杂的机械结构，不同的关节连杆系统之间相互影响高度耦合，整体呈现出非线性，强耦合的特点，使得常规的控制策略难以对其进行快速、高精度控制。现有的机械臂控制方法大多依赖于系统的数学模型，但是由于机械臂控制系统的模型复杂，加上一些未知因素的影响，难以建立精确的数学模型。因此，提出一种多轴串联机械臂的自抗扰控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何实现对多轴串联机械臂更快速、更高精度的控制，提供了一种多轴串联机械臂的自抗扰控制方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：建立电机位置的动态数学模型

分析机械臂关节电机的工作电路，根据电机的平衡方程建立电机的数学模型，利用拉普拉斯变换得到零初始条件下电机输出与输入之间的传递函数和电机位置的动态数学模型；

S2：设计自抗扰控制器

对自抗扰控制器进行设计，并选择非线性函数构造自抗扰控制器中的扩张状态观测器与非线性误差反馈控制律；

S3：估计系统总扰动并补偿。

将卡尔曼滤波器引入扩张状态观测器，估计系统总扰动，并对总扰动进行补偿，实现对机械臂的控制。

更进一步地，在所述步骤S1中，根据直流力矩电机的工作原理和基尔霍夫定律，电机的四个平衡方程即所述电机的数学模型，数学模型的表达式如下：

T_e(t)＝C_eΦi_a(t)＝K_ei_a(t)

E_a＝C_aΦn(t)＝K_aω(t)