專利名稱：多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種并聯機構的運動控制，尤其涉及由交流伺服電動機驅動的冗余并聯機構的運動控制。
背景技術：
并聯機構由于具有剛度大、結構緊湊、承載能力強等優點得到了越來越廣泛的應用。采用冗余驅動的并聯機構可以避免并聯機構的奇異性，從而改善并聯機構的性能，但冗余并聯機構各支路間存在強耦合，在并聯機構高速周期性運動的情況下會嚴重影響并聯機構系統的穩定性和控制精度，而且多自由度冗余并聯機構的數學模型難以精確建立，這些都給并聯機構的高性能運動控制帶來很大的困難。“虛擬軸機床并聯機構的無抖振滑模控制”(高國琴，羅燕等，第29屆中國控制會 議，2010，pp. 5670-5675) 一文中提出一種用于六自由度并聯機構的光滑滑模控制方法，該方法無需精確建立并聯機構的數學模型、易于設計、易于實現，而且克服了傳統滑模控制的抖振問題。但是該方法從本質上講屬于各支路獨立控制的形式，未能針對虛擬軸機床在機械結構上具有多個運動支鏈的特點解決多個支鏈間的耦合協調同步問題，因此不能保證在較高速度時并聯機構各支路的運動協調性能。文獻“平面二自由度冗余并聯機器人同步控制”(米建偉等，機械科學與技術，第30卷第2期，2011年2月，第279— 285頁)中提出一種用于平面二自由度冗余并聯機構的前饋同步控制，該控制器基于簡化動力學模型設計，通過引入同步誤差函數，抑制因將慣性力矩陣和離心力矩陣取為常數矩陣所帶來的模型不確定性對系統的影響，并保證各個控制關節同步。但其控制器設計仍需依賴其動力學模型，對于多自由度冗余并聯機構，尤其是大于二自由度的高自由度冗余并聯機構來說，其動力學模型是多參數耦合的復雜系統，難以精確建立，因此該控制方法難以實際實現。

發明內容
本發明的目的是為克服現有技術的不足，提出一種基于同步誤差的多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制方法和系統，以解決多自由度冗余并聯機構各支路之間運動的同步協調性問題，從而進一步提高其運動性能。本發明采用的一個技術方案如下多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制方法，包括以下步驟I)以電動機驅動器和電動機為被控對象，冗余并聯機構為負載，建立帶干擾項的并聯機構各支路的數學模型；2)根據實際要求對冗余并聯機構末端執行器進行軌跡規劃獲得其期望運動位姿，然后基于冗余并聯機構的運動學逆解求解該期望位姿的反解，確定在實現冗余并聯機構末端執行器期望運動過程中冗余并聯機構各支路驅動電動機的期望運動軌跡；3)利用增量編碼器檢測冗余并聯機構各個支路驅動電動機的實際運動狀態，并計算每個支路電動機期望運動狀態與實際運動狀態的偏差；4)構建多自由度冗余并聯機構各支路的同步誤差；5)構建基于同步誤差的開關曲面函數；6)基于步驟I所建立數學模型，設計同步光滑滑模控制律；7)計算冗余并聯機構各支路電動機驅動控制量；8)將冗余并聯機構各個支路電動機驅動控制量發送給各個電動機驅動器，驅動冗余并聯機構末端執行器實現期望運動。本發明采用的另一個技術方案如下多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制系統，由輸入裝置、若干并聯的支路和并聯機構末端執行器組成，所述輸入裝置輸入各支路驅動電動機的期望運動軌跡至對應的支路，各支路輸出控制量驅動冗余并聯機構末端執行器，每個支路由依次連接的同步誤差計算模塊、光滑滑模控制器、驅動電機和滾珠絲杠組成，在驅動電機的輸出端和同步誤差計算模塊的輸入端之間還設有增量編碼器；所述增量編碼器，用于檢測冗余并聯機構各個支路驅動電動機的實際運動狀態；所述同步誤差計算模塊，用于計算每個支路電動機期望運動狀態與實際運動狀態的偏差，并根據基于同步誤差的開關曲面函數計算各個支路的同步誤差；所述光滑滑模控制器，用于根據同步光滑滑模控制律，計算各個支路電動機驅動控制量。作為本發明的進一步改進，所述基于同步誤差的開關曲面函數為
權利要求
1.一種多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制方法，其特征是采用如下步驟 1)以電動機驅動器和電動機為被控對象，冗余并聯機構為負載，建立帶干擾項的并聯機構各支路的數學模型； 2)根據實際要求對冗余并聯機構末端執行器進行軌跡規劃獲得其期望運動位姿，然后基于冗余并聯機構的運動學逆解，求解該期望位姿的反解，確定在實現冗余并聯機構末端執行器期望運動過程中冗余并聯機構各支路驅動電動機的期望運動軌跡； 3)利用增量編碼器檢測冗余并聯機構各個支路驅動電動機的實際運動狀態，并計算每個支路電動機期望運動狀態與實際運動狀態的偏差； 4)構建多自由度冗余并聯機構各個支路的同步控制誤差； 5)構建基于同步誤差的開關曲面函數； 6)基于步驟I所建立數學模型，設計同步光滑滑模控制律； 7)計算冗余并聯機構各個支路電動機驅動控制量； 8)將冗余并聯機構各個支路電動機驅動控制量發送給各個電動機驅動器，驅動冗余并聯機構末端執行器實現期望運動。
2.根據權利要求I所述的同步光滑滑模控制方法，其特征是 步驟4)中，構建各個支路的同步誤差
3.—種多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制系統，其特征是，由輸入裝置、若干并聯的支路和并聯機構末端執行器組成，所述輸入裝置輸入各支路驅動電動機的期望運動軌跡至對應的支路，各支路輸出控制量驅動冗余并聯機構末端執行器，每個支路由依次連接的同步誤差 計算模塊、光滑滑模控制器、驅動電機和滾珠絲杠組成，在驅動電機的輸出端和同步誤差計算模塊的輸入端之間還設有增量編碼器； 所述增量編碼器，用于檢測冗余并聯機構各個支路驅動電動機的實際運動狀態； 所述同步誤差計算模塊，用于計算每個支路電動機期望運動狀態與實際運動狀態的偏差，并根據基于同步誤差的開關曲面函數計算各個支路的同步誤差； 所述光滑滑模控制器，用于根據同步光滑滑模控制律，計算各個支路電動機驅動控制量。
4.根據權利要求3所述的同步光滑滑模控制系統，其特征是，所述基于同步誤差的開關曲面函數為
全文摘要
多自由度冗余并聯機構的同步光滑滑模控制方法和系統，該方法包括以電動機驅動器和電動機為被控對象，冗余并聯機構為負載，建立帶干擾項的并聯機構各支路的數學模型；對冗余并聯機構末端執行器進行軌跡規劃獲得其期望運動位姿，確定在實現冗余并聯機構末端執行器期望運動過程中各支路驅動電動機的期望運動軌跡；計算每個支路電動機期望運動狀態與實際運動狀態的偏差；構建各支路的同步誤差；構建基于同步誤差的開關曲面函數；基于所建立數學模型，設計同步光滑滑模控制律；計算冗余并聯機構各支路電動機驅動控制量；將冗余并聯機構各個支路電動機驅動控制量發送給各個電動機驅動器，驅動冗余并聯機構末端執行器實現期望運動。
文檔編號G05B13/04GK102944997SQ20121038189
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月10日 優先權日2012年10月10日
發明者高國琴, 溫娟 申請人:江蘇大學