(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210588338.8 (22)申请日 2022.05.27 (71)申请人 青岛科技大 学 地址 266000 山东省青岛市崂山区松岭路 99号 (72)发明人 祖丽楠　鞠云鹏　张明月　刘聪　 王巧妹　 (74)专利代理 机构 东莞市卓易专利代理事务所 (普通合伙) 44777 专利代理师 陈海祥 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨 迹跟踪方法 (57)摘要 本发明涉及了一种非奇异快速终端滑模控 制方法， 所述机械臂轨迹跟踪方法包括一个三连 杆机械臂动力学模型和一个基于所述三连杆机 械臂动力学模 型的动力学控制器， 所述三连杆机 械臂力学模 型包括一个动力学方程。 本发明涉及 基于关节角度和角速度的测量信息， 实现三自由 度机械臂轨迹跟踪控制， 使系统能够在有限时间 收敛， 并具有更快的响应速度， 并通过设计饱和 双幂次趋 近律， 降低控制输出的抖振现象。 权利要求书1页 说明书8页 附图3页 CN 114939869 A 2022.08.26 CN 114939869 A 1.一种基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征是： 所述机械臂轨迹 跟踪方法包括一个三连杆机械臂动力学模型和 一个基于所述三连杆机械臂动力学模型的 动力学控制器， 所述三连杆机械臂力学模型包括一个动力学方程， 所述动力学控制器通过 输出力矩实现对系统的控制， 三连 杆机械臂力学模型系统模型的状态空间表达式为： x表示具有6个分量的状态函数向量， 方程左侧表示x的导数， f(x)表示具有3个分量的 向量控制函数， g(x)表示具有两个分量的系统饱和双幂次趋 近律。 2.根据权利要求1所述的基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征是： 所述动力学 方程为： 其中， q＝[q1,q2,q3]T为关节角度向量， τ＝[ τ1, τ2, τ3]T为力矩向量， M(q)∈R3×3是惯性矩 阵， 是科氏力和离心力矩阵， R为实空间。 3.根据权利要求1或2所述的基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征 是： 所述动力学控制器的输出力矩 ui包含稳态 控制律τist和鲁棒控制律gi(x)两部分， 稳态 控 制律保持系统状态在滑模面上运动， 控制器输出力矩为： ui＝ δiτi＝ τist+gi(x) 4.根据权利要求1所述的基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征是： 所述非奇异快速终端滑模具有非奇异性、 有限时间收敛和快速收敛性。 5.根据权利要求3所述的基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征是： 控制器输出力矩ui包括13个常系数或参数： 常系数为δ1＝δ2＝δ3＝1.5 μ1＝ μ2＝ μ3＝1、 λ1＝λ2＝λ3＝0.5， 指数参数m＝5、 n＝3、 α ＝1、 β ＝1.7。 6.根据权利要求1所述的基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 其特征是： 所述饱和双幂次趋近律的参数为： γ1＝γ2＝γ3＝1.2， k1＝k2＝k3＝50， ξ1＝ξ2＝ξ3＝0.8， η1＝ η2＝ η3＝1.1。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114939869 A 2一种基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨 迹跟踪方法 技术领域 [0001]本发明属于工业机器人控制领域， 具体涉及一种基于非奇异快速终端滑模的机械 臂轨迹跟踪方法。 背景技术 [0002]串联型多自由度机械臂由于具有较高的灵 活性和环境适应性等优点， 被广泛应用 于制造业等多种领域中， 发挥着日益重要的作用。 随着 应用范围的扩展、 机械结构复杂性和 任务性能要求的提升， 对机械臂的运动控制提出了更高的要求， 传统的位置伺服控制已不 再适用。 而结合动力学 的运动控制系统不仅可以补偿单纯位置伺服控制的动态特性， 还可 以提高控制精度和系统稳定性。 [0003]由于机械臂在运动过程中存在内、 外部扰动以及模型不确定性等多种因素的干 扰， 同时机械臂机械结构的强耦合性会带来关节力矩的控制耦合， 这些因素都会增加控制 器设计的难度。 目前， 很多控制方法存在 控制输出不稳定、 系统抖振以及系统误差无法在有 限时间内完全收敛等问题， 使跟踪精度和控制系统稳定性 仍有很大的提升空间。 [0004]现有的轨迹跟踪控制方法有PID控制、 模糊控制、 自适应控制、 神 经网络控制以及 滑模控制等方法。 以上方法在应用中各有特点： PID控制难以保证机械臂的动态性能， 并且 在启动时输出力矩大， 容易造成机械臂的损坏； 模糊控制需要调节的参数多， 在实际工程中 应用不多； 自适应控制需要在线辨别参数， 对实时性要求比较严格。 其中滑膜变结构控制因 其不易受外界干扰和模型不确定的影响而常用来 解决非线性系统的控制问题。 [0005]滑模控制存在如下问题： 一方面， 传统的滑模控制在趋近滑模面时会使控制输出 产生抖振现象， 同时采用线性滑模面会存在系统误差和收敛时间相平衡的现象， 使控制系 统无法在有限时间收敛， 这些 因素都会影响系统的动态响应和跟踪精度。 另一方面， 若采用 终端滑模控制， 控制力矩在某些特定区域会趋于无穷大， 产生奇异点现象， 影响系统稳定 性， 甚至无法完成任务。 发明内容 [0006]针对现有技术的不足， 本发明提出了一种 非奇异快速终端滑模控制方法， 基于关 节角度和角速度的测 量信息， 实现三自由度机械臂轨迹跟踪控制， 使系统能够在有限时间 收敛， 并具有更 快的响应速度。 [0007]本发明技术方案为： 一种基于非奇异快速终端滑模的机械臂轨迹跟踪方法， 所述 机械臂轨迹跟踪方法包括一个三连杆机械臂动力学模型和 一个基于所述三连杆机械臂动 力学模型 的动力学控制 器， 所述动力学控制器通过输出力矩实现对系统的控制， 所述三连 杆机械臂力学模型包括一个动力学方程， 三连杆机械臂力学模型系统模型的状态空间表达 式为： [0008] [0009]x表示具有6个分量 的状态函数向量， 方程左侧表示x的导数， f(x)表示具有3个分说　明　书 1/8 页 3 CN 114939869 A 3