一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法。方法包括：考虑非线性和外干扰的情况下，建立动力学动力学状态空间模型；动力学动力学状态空间模型输出多自由度机械臂连杆机构连杆机构的每个自由度关节的转角值；根据动力学动力学状态空间模型，使用反步控制法，设计滑模控制器，并建立约束条件；将动力学动力学状态空间模型输出的各个自由度关节的转角值输入滑模控制器中，滑模控制器输出液压系统的输入电压，转化为液压系统的液压阀的阀芯的位移，从而实现对水下多自由度液压机械臂的精准控制。本发明专利技术滑模控制方法能够在保证控制水下多自由度液压机械臂系统稳定性的同时，优化机械臂运动控制性能，提高机械臂关节控制精度，降低机械臂末端液压系统的控制误差。制误差。制误差。

【技术实现步骤摘要】
一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法


[0001]本专利技术涉及一种机械臂的滑模控制方法，属于液压机械臂的运动控制领域，具体涉及一种针对在典型水下环境中工作的多自由度液压机械臂的滑模控制方法。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，工业领域对自动化和智能化的需求日益增加，以多自由度机械臂连杆机构为代表的工业自动化设备越来越广泛地应用于各种工业场合。由于具有较大的输出力矩和较高的功率重量比，液压多自由度机械臂连杆机构在水下作业等实际场景中得到了越来越广泛的应用。然而，在传统水下多自由度液压机械臂作业过程中，更加关注的是指定操作动作完成与否，而其作业的精度却较少被提及。因此，水下多自由度液压机械臂在某些需要更高精度操作的特定场合的应用逐渐受到限制。此外，水下多自由度液压机械臂在作业过程中还常常会受到浪、流等外干扰因素的综合影响。因此现有的控制策略难以保证水下多自由度液压机械臂的控制性能，从而影响机械臂在水下的作业性能。

技术实现思路

[0003]为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术针对现有水下多自由度液压机械臂控制技术的不足，提出了一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法，克服水下液压机械臂运动过程中的模型非线性因素(液压缸直动驱动机械臂关节转动)和未知外干扰(海浪、海流等)对机械臂运动控制精度的影响，在保证控制系统稳定性的同时，减小机械臂运动控制误差，提升机械臂整体控制性能。
[0004]本专利技术采用的技术方案是：
[0005]本专利技术滑模控制方法包括如下步骤：/>[0006]步骤一：在考虑水下多自由度液压机械臂的非线性和未知外干扰的情况下，建立水下多自由度液压机械臂的动力学状态空间模型；水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，动力学状态空间模型输出多自由度机械臂连杆机构的每个自由度关节的转角值。
[0007]步骤二：根据动力学状态空间模型，使用反步控制法，设计滑模控制器，并建立滑模控制器的约束条件。
[0008]将动力学状态空间模型输出的多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节的转角值输入滑模控制器中，滑模控制器输出液压系统的输入电压，转化为液压系统的液压阀的阀芯的位移，从而实现对水下多自由度液压机械臂的精准控制。
[0009]设计的滑模控制器及其约束条件可以在机械臂整体系统稳定的情况下克服水下多自由度液压机械臂的非线性和未知外干扰，优化水下多自由度液压机械臂的控制性能。
[0010]所述的步骤一中，水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，多自由度机械臂连杆机构上共有n个自由度关节；液压系统主要包括油箱、液压泵、总供油压力传感器、总回油压力传感器和n个驱动装置，每个驱动装置铰接一个对应的多自由
度机械臂连杆机构的自由度关节。
[0011]油箱中的液压油流经液压泵后流入每个驱动装置中，进而驱动多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节运动，液压油再经每个驱动装置流回油箱中；通过总供油压力传感器检测流出油箱的总供油压力P
s
，即液压泵的供给压力；通过总回油压力传感器检测流回油箱的总回油压力P
r
，即整个液压系统的参考压力。
[0012]液压系统还包括单向阀、两个过滤器和安全回路；油箱中的液压油经过总供油通道流经液压泵后经单向阀流出，并经过一个过滤器流入每个驱动装置中；供油压力传感器和油箱之间还另外设有安全回路，保证整个液压系统的安全性；各个驱动装置中的液压油均经过总回油通道流经另一个过滤器流回油箱中。
[0013]总供油压力传感器设置于单向阀和一个过滤器之间的油箱的总供油通道上，总回油压力传感器设置于另一个过滤器和若干驱动装置之间的总回油通道上。
[0014]每个驱动装置包括液压缸、液压阀、供油压力传感器和回油压力传感器，液压缸的推杆铰接一个对应的多自由度机械臂连杆机构的自由度关节，流入和流出每个驱动装置的液压油的供油压力和回油压力分别通过各自的供油压力传感器和回油压力传感器检测。
[0015]驱动装置的液压阀设置于液压油流入液压缸的供油通道以及液压缸流出液压油的回油通道上，供油压力传感器布置于液压阀和液压缸之间的供油通道上，回油压力传感器布置于液压阀和液压缸之间的回油通道上。
[0016]所述的水下多自由度液压机械臂的非线性具体为各驱动装置的各液压缸的各推杆的位移量和多自由度机械臂连杆机构的各自由度关节的转角值之间的非线性转换函数J
t
、流入各驱动装置的液压油的供油压力和各驱动装置的各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数g
i
、流出各驱动装置的液压油出油压力和各驱动装置的各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数g
o
。
[0017]所述的水下多自由度液压机械臂的未知外干扰具体为水下多自由度液压机械臂在水下运动过程中，产生的水上常规的可计算外干扰D以及水下特有的可计算外干扰F，水上的可计算外干扰D具体为滑动摩擦等。
[0018]在考虑水下多自由度液压机械臂的非线性和未知外干扰的情况下，建立水下多自由度液压机械臂的动力学状态空间模型，具体如下：
[0019][0020][0021][0022]其中，x1为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值，x1＝[q1,q2,q3,......,q
n
]T
，q1,q2,q3,......,q
n
分别表示多自由度机械臂连杆机构的第1个、第2个、第3个、
…
、第n个关节的转角值；x2为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值的一阶导数x3为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值的二阶导数M为多自由度机械臂连杆机构的质量惯性；J
t
为各驱动装置的各液压缸的推杆的位移量和多自由度机械臂连杆机构的各自由度关节的转角值之间的非线性转换函数；β
e
为液压油的体积模
量；A
i
和A
o
分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的面积，分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的面积，分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的进油腔的面积，分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的回油腔的面积；V
i
和V
o
分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的容积，V
i
＝V
hi
+A
i
diag[d]，V
o
＝V
ho
‑
A
o
diag[d]，V
hi
和V
ho
分别为液压系统在初始情况下的各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的容积，d为各驱动装置的各液压缸的各推杆的位移量，d＝[d1,d2,d3,......,d
n
]T
，d1,d2,d3,.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：在考虑水下多自由度液压机械臂的非线性和外干扰的情况下，建立水下多自由度液压机械臂的动力学状态空间模型；水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，动力学状态空间模型输出多自由度机械臂连杆机构的每个自由度关节的转角值；步骤二：根据动力学状态空间模型，使用反步控制法，设计滑模控制器，并建立滑模控制器的约束条件；将动力学状态空间模型输出的多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节的转角值输入滑模控制器中，滑模控制器输出液压系统的输入电压，转化为液压系统的液压阀的阀芯的位移，从而实现对水下多自由度液压机械臂的精准控制。2.根据权利要求1所述的一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法，其特征在于：所述的步骤一中，水下多自由度液压机械臂包括多自由度机械臂连杆机构和液压系统，多自由度机械臂连杆机构上共有n个自由度关节；液压系统主要包括油箱、液压泵、总供油压力传感器、总回油压力传感器和n个驱动装置，每个驱动装置铰接一个对应的多自由度机械臂连杆机构的自由度关节；油箱中的液压油流经液压泵后流入每个驱动装置中，进而驱动多自由度机械臂连杆机构的各个自由度关节运动，液压油再经每个驱动装置流回油箱中；通过总供油压力传感器检测流出油箱的总供油压力P
s
，即液压泵的供给压力；通过总回油压力传感器检测流回油箱的总回油压力P
r
，即整个液压系统的参考压力；每个驱动装置包括液压缸、液压阀、供油压力传感器和回油压力传感器，液压缸的推杆铰接一个对应的多自由度机械臂连杆机构的自由度关节，流入和流出每个驱动装置的液压油的供油压力和回油压力分别通过各自的供油压力传感器和回油压力传感器检测。3.根据权利要求2所述的一种面向水下多自由度液压机械臂的滑模控制方法，其特征在于：所述的水下多自由度液压机械臂的非线性具体为各驱动装置的各液压缸的各推杆的位移量和多自由度机械臂连杆机构的各自由度关节的转角值之间的非线性转换函数J
t
、流入各驱动装置的液压油的供油压力和各驱动装置的各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数g
i
、流出各驱动装置的液压油出油压力和各驱动装置的各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数g
o
；所述的水下多自由度液压机械臂的外干扰具体为水下多自由度液压机械臂在水下运动过程中，产生的水上的可计算外干扰D以及水下的可计算外干扰F；在考虑水下多自由度液压机械臂的非线性和外干扰的情况下，建立水下多自由度液压机械臂的动力学状态空间模型，具体如下：机械臂的动力学状态空间模型，具体如下：
其中，x1为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值，x1＝[q1,q2,q3,......,q
n
]
T
，q1,q2,q3,......,q
n
分别表示多自由度机械臂连杆机构的第1个、第2个、第3个、
…
、第n个关节的转角值；x2为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值的一阶导数x3为多自由度机械臂连杆机构各个自由度关节的转角值的二阶导数M为多自由度机械臂连杆机构的质量惯性；J
t
为各驱动装置的各液压缸的推杆的位移量和多自由度机械臂连杆机构的各自由度关节的转角值之间的非线性转换函数；β
e
为液压油的体积模量；A
i
和A
o
分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的面积，为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的面积，为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的面积，分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的进油腔的面积，分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的回油腔的面积；V
i
和V
o
分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的容积，V
i
＝V
hi
+A
i
diag[d]，V
o
＝V
ho
‑
A
o
diag[d]，V
hi
和V
ho
分别为液压系统在初始情况下的各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的容积，d为各驱动装置的各液压缸的各推杆的位移量，d＝[d1,d2,d3,......,d
n
]
T
，d1,d2,d3,......,d
n
分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的推杆的位移量，液压系统在初始情况时d＝0；k
qi
和k
qo
分别为各驱动装置的各液压缸的进油腔和回油腔的流量增益常数，k
qi
＝diag[[k
qi1
,k
qi2
,......,k
qin
]，k
qo
＝diag[k
qo1
,k
qo2
,......,k
qon
]，k
qi1
,k
qi2
,......,k
qin
分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的进油腔的流量增益常数，k
qo1
,k
qo2
,......,k
qon
分别为第1个、第2个、第3个、
…
、第n个液压缸的回油腔的流量增益常数；g
i
为流入各驱动装置的液压油的供油压力和各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数，g
o
为流出各驱动装置的的液压油出油压力和各液压阀的阀芯的位移量之间的非线性转换函数；u为液压系统的各驱动装置的输入电压；C为水下多自由度液...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙向伟，周时钊，沈翀，庞丰叶，陈正，聂勇，唐建中，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：