多补偿融合的气动末端柔顺机构非线性自抗扰控制

摘要

在基于气动末端柔顺机构的机器人打磨作业中，机构恒力控制性能直接影响打磨质量和效率。为了提高机构恒力控制性能，针对末端柔顺机构气动系统气体压缩、比例阀死区、气缸活塞摩擦力等非线性因素以及机构姿态变化对打磨端输出力的影响，提出一种融合重力补偿、死区补偿及LuGre摩擦模型补偿的非线性自抗扰控制算法。该算法采用跟踪微分器对输入信号进行过渡，利用扩张状态观测器对系统的总扰动进行观测，通过非线性状态误差反馈控制规律进行反馈和总扰动补偿；分析打磨装置所受重力在不同打磨角度下对输出力的影响，通过试验获得比例阀进气和排气的最小工作电压，基于LuGre摩擦模型通过试验拟合出气缸的非线性摩擦力，在此基础上设计重力、比例阀死区和气缸摩擦力补偿，而后在所搭建的实验台上开展多工况模拟实验。实验结果表明：所设计控制器在50 N加载下的平均误差为0.21 N，小于比例积分微分（PID）控制的0.27 N；在打磨角度从0°至75°变化的50 N加载中，打磨端输出力的误差最大为1.44 N；在存在干扰的50 N加载下的最大误差为7.24 N，小于常规自抗扰控制的11.79 N和PID控制器的14.77 N。该控制算法相对于传统PID控制具有更好的鲁棒性、跟踪性和抗干扰能力，而且针对打磨姿态变化的末端输出力有较好的补偿效果，提高了系统的恒力控制性能。

关键词

力控制 / 气动系统 / LuGre摩擦模型补偿 / 重力补偿 / 自抗扰控制