基于角加速度轨迹规划的欠驱动机械系统跟踪控制

摘要

针对欠驱动机械系统轨迹规划与跟踪控制中的欠驱动关节稳定控制问题，提出了一种基函数叠加与粒子群算法相结合的轨迹智能优化方法，并针对驱动关节设计了滑模控制器对规划轨迹进行跟踪控制。首先，根据建立的平面两连杆欠驱动机械臂动力学模型，分析了平面欠驱动机械臂的约束特性。其次，采用正弦函数作为基函数形成驱动关节的角加速度轨迹，并采用粒子群算法对轨迹参数进行优化，以确保跟踪规划的轨迹时被动关节能在驱动关节的带动下到达目标角度。再次，为驱动关节设计了滑模变结构控制器对优化后的轨迹进行跟踪控制。最后，选取平面Pendubot和平面Acrobot作为研究对象，通过仿真实验验证了所提控制策略在不同结构参数、初始状态和目标状态下的有效性，并将控制时间缩短了44%，峰值力矩缩小了46%。该控制策略具有较强的适应性和通用性，有助于提高工作效率、降低能耗和成本。

关键词

欠驱动机械系统 / 轨迹规划 / 智能优化算法 / 滑模控制器

基金资助

湖北省自然科学基金（2023AFB380）; 智能机器人湖北省重点实验室创新基金（HBIRL202301）; 福建省特种智能装备安全与测控重点实验室开放基金（福建省特种设备检验研究院）（FJIES2024KF12）; 电磁感应与节能技术十堰市重点实验室开放基金（SYZDK22024A01）