工业机器人系统控制问题研究

马晴++贾雪松++孙伟

摘 要 针对机器人系统难以获得精确数学模型的问题，研究了机器人控制系统的组成及特点，在此基础上，总结了工业机器人的主要控制方法，最后，提出并分析了该领域备受关注的滑模控制方法的特点及抖振问题。

【关键词】工业机器人 非线性系统 滑模控制

1 引言

随着世界科技水平的不断提高，工业机器人技术的强大生命力越来越显著。它综合人和机器特长，形成的一种智能化机械装置。

机器人可重复编程、仿人操作、自动控制，并能在三维空间实现各种作用的多自由度定位装置。由于很难精确得到机器人系统的运动模型，且其控制的实现也十分复杂，如何对存在不确定性的机器人系统实现有效地控制，成为当前机器人技术的研究热点。

目前，机器人控制问题面临的主要问题就是机器人动力学模型的复杂性和系统自身具有的不确定性。

2 机器人的控制问题概述

2.1 机器人控制系统构成

机器人系统主要由三大部分组成：执行部分、检测部分和控制系统，主要构成如图1所示，机器人的执行部分主要有机械臂、手腕和手指以及它们的执行机构等具有运动机能的部分；检测部分是指获取被控对象、机器人自身动态信息和周围工作环境信息的各类传感器；控制系统作为机器人系统的核心，是根据检测部分的反馈信息，经过一定的控制算法处理，来控制执行机构完成期望的操作而发出命令的部分。

机器人是一种强耦合、高度非线性且含有极大不确定性的复杂系统，对机器人实现成功控制的难度非常大，通常机器人控制技术的优良好坏直接影响到机器人系统的先进与否及其功能的强弱，因此，控制系统的设计是体现机器人技术水平高低的重要环节。

2.2 机器人的主要控制方法研究现状

针对具有建模误差和外界干扰的机器人控制问题，机器人的主要控制方法主要有：

2.2.1 传统控制

机器人控制问题中一般采用的传统控制方法有PID控制、前馈控制和计算力矩等，这些方法大都设计简单且易于实现。传统的控制方法发展比较成型，在实际应用中也占据了重要地位。

2.2.2 现代控制

该方法的控制算法主要以鲁棒控制和滑模变结构控制为代表。鲁棒控制是一种能够保证不确定系统的稳定性且达到满意控制效果的控制方法。滑模控制是一种特殊的非线性控制，其基本思想为在误差系统的状态空间里，找一个超平面，且使超平面里的所有状态轨迹最终都收敛于零。

2.2.3 智能控制

智能控制方面，目前比较流行的方法主要有自适应控制、神经网络控制、模糊控制、遗传算法控制等。

上述三种控制方法，优势显著，但在机器人系统的控制问题中，多与其他控制方法相结合，优势互补，从而出现了一些混合的控制方法。

3 滑模变结构控制概述

变结构控制最初是由前苏联学者Emeleyano等人于20世纪50年代提出，当时主要研究的是二阶线性系统和单输入高阶系统。随后许多学者也提出了多种变结构控制的设计方案。

3.1 滑模控制的主要特点

滑模变结构控制历经60余年的发展后成为了一个相对独立的研究分支，并成为自动控制系统中一种常用的设计方法。总的来说，滑模控制主要有以下特点：

（1）算法简单，控制器响应速度较快，较容易实现。它适用于多种控制系统，如线性与非线性系统、连续与离散系统等各种控制系统。

（2）变结构控制本质上是将一个高阶系统分解成两个低阶系统。这两个子系统各自拥有独特的性质。这样，滑动模态运动方程就可以从原系统中解耦出来，形成独立的动力学系统，并与控制无关；而对于另一个子系统，不需要求解微分方程组，只需根据到达条件就能确定其控制量。

（3）变结构控制的滑动模态对系统的干扰和摄动，具有完全自适应性。在变结构控制中，系统中的摄动对滑动模态不产生丝毫影响，这样，一些复杂系统的镇定问题就得到了解决。

（4）滑模控制系统可以在确保稳定性的同时还具有快速响应的特性。

变结构控制理论的出现，颠覆了经典线性控制系统中的性能限制，很好的解决了动静态性能指标之间的矛盾。

3.2 滑模控制系统的抖振问题及其原因

从理论上来说，滑模控制系统的鲁棒性会比一般普通的连续系统强。但是，滑模控制本质上的不连续开关特性以及惯性等因素的存在，运动点不是马上停留在滑模面上，而是进行快速反復的穿越运动，从而导致系统发生抖振。因此，实际系统中，抖振现象是必然存在的，它也进而成为滑模控制系统在实际系统中应用的明显障碍。抖振现象产生的原因主要有时间滞后开关、空间滞后开关、系统惯性等。

综上所述，在实际的控制系统中，抖振现象可以看作是在光滑的滑模面s=0上，叠加了一种持续运动的波形轨迹。抖振现象不仅影响控制的精确度，还会增加能量的消耗，而且易使系统的某些性能遭到破坏，甚至导致系统发生振荡或失稳，对系统的部件造成一定损坏。所以，削弱或消除抖振，是我们研究滑模变结构控制的关键问题。

4 结论

本文针对当前广泛应用的工业机器人系统的特点，考虑到其系统的复杂性，难以得到精确的数学模型的问题，在研究其系统构成、主要控制方法的基础上，提出并分析了一种当前备受关注的滑模控制方法，并指出该系统具有的抖振问题及其原因。

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作者单位

沈阳城市建设学院 辽宁省沈阳市 110167