[发明专利]一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台轨迹跟踪控制方法。首先建立考虑质心变化的移动平台动力学模型，然后，基于该模型，提出一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台自适应模糊全局鲁棒超螺旋滑模控制方法。在该方法中，将全局滑模与超螺旋滑模相结合，设计全局鲁棒滑模面，以消除超螺旋滑模控制的趋近阶段；此外，设计自适应模糊全局鲁棒超螺旋滑模控制器。最后，将该控制方法运用于喷砂除锈并联机器人控制系统，使移动平台按期望轨迹运动。本发明对系统不确定性具有全局鲁棒性，能够保证移动平台在质心变化情况下实现对期望轨迹的精确跟踪，同时有效地削弱滑模控制抖振。

技术领域

本发明涉及移动机器人轨迹跟踪领域，尤其涉及一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台轨迹跟踪控制方法。

背景技术

为实现对钢箱梁进行喷砂除锈防腐处理，基于Stewart并联机构自主研发设计了一种钢箱梁喷砂除锈并联机器人，它由并联机构、升降机构和移动平台等构成，具有刚度高、承载能力强、可移动性好的优点，能实现任意移动、自由升降、六自由度位姿精确运动操作等。由于并联机构、升降机构以及电控柜构成的结构为非对称结构，并且与移动平台构成刚性连接，升降机构的升降运动对移动平台的影响可视为移动平台质心变化，使移动平台的受力情况发生较大变化，导致移动平台轨迹跟踪不稳定，影响喷砂除锈的效率以及安全性，因此有必要对质心变化情况下的移动平台轨迹跟踪控制技术进行研究。

文献《轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制》(孙忠廷等，控制工程.2020)针对轮式移动机器人质心与驱动轴中心不重合的情况，基于运动学模型研究了轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题，考虑质心与驱动轮轴线中心之间距离不确定的情况，设计了一种自适应算法，以补偿不确定参数导致的系统误差。然而该方法仅适用于移动机器人质心在驱动轮轴线上发生变化的情况，无法应用于移动机器人质心向左右轮一侧变化的情况。

文献《移动机器人自适应神经滑模轨迹跟踪控制》(宋立业等，控制工程.2018)针对质心和几何中心不重合情况下轮式移动机器人轨迹跟踪问题，提出一种鲁棒项系数自调整的自适应神经滑模轨迹跟踪控制策略，利用自适应径向基神经网络分别调整等效控制部分和切换增益，有效的消除系统未知参数和未知干扰的影响。但是所建立的动力学模型具有局限性，不适用于移动平台质心较大范围变化的情况。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术的不足，针对质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台自适应模糊全局鲁棒超螺旋滑模轨迹跟踪控制要求，提出了一种结合自适应技术、模糊控制技术、滑模控制技术的控制方法。该方法能够实现移动平台在质心变化的情况下对期望轨迹稳定、精确的跟踪。

本发明的技术方案包括：一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：

1)根据喷砂除锈并联机器人的喷砂路径，确定移动平台期望运动轨迹；

2)根据喷砂除锈并联机器人移动平台的运动特性，建立移动平台运动学模型；

3)根据喷砂除锈并联机器人移动平台质心坐标与参考点坐标在世界坐标系中的相对位置关系，使用参考点的线速度推导移动平台质心的线速度，并将移动平台质心的线速度作为移动平台车体的线速度，使用拉格朗日函数法建立考虑质心变化的移动平台动力学模型；

4)基于步骤3)所建立的考虑质心变化的移动平台动力学模型，设计了一种质心变化喷砂除锈并联机器人移动平台自适应模糊全局鲁棒超螺旋滑模轨迹跟踪控制方法；在该方法中，将全局滑模与超螺旋滑模相结合，设计全局鲁棒滑模面，以消除超螺旋滑模控制的趋近阶段，使系统在响应的全过程都具有鲁棒性；此外，为进一步削弱超螺旋滑模控制抖振，设计以滑模变量及其导数乘积和移动平台质心偏移量l为输入，以超螺旋滑模控制律切换增益的导数dα为输出的模糊规则，并采用比例积分的方法对切换增益α进行估计，由此设计自适应模糊全局鲁棒超螺旋滑模控制器。

5)根据喷砂除锈并联机器人的喷砂路径，确定移动平台期望运动轨迹；