隨著高齡人口增多,腦萎縮、慢性肌肉損傷等疾病導(dǎo)致步行障礙患者逐年增加,由于醫(yī)護(hù)資源的有限性,使坐墊機(jī)器人得到了發(fā)展。在實際應(yīng)用中,坐墊機(jī)器人運(yùn)動速度過快,會影響使用者安全性,因此對機(jī)器人速度約束是必要的。然而限制機(jī)器人運(yùn)行速度會使跟蹤誤差變大,同時加上負(fù)載的機(jī)器人重心會發(fā)生偏移,這兩個因素導(dǎo)致其很難精確跟蹤指定軌跡。為了提高坐墊機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性與跟蹤精度,本論文基于滑模變結(jié)構(gòu)控制理論,研究坐墊機(jī)器人軌跡跟蹤問題,主要內(nèi)容如下:建立考慮重心偏移坐墊機(jī)器人動力學(xué)模型;基于此模型設(shè)計速度約束型滑模變結(jié)構(gòu)控制器,通過限制實際運(yùn)動速度的幅值,并采用對軌跡和速度跟蹤誤差均實時補(bǔ)償策略,降低速度受限對系統(tǒng)的影響,實現(xiàn)在安全速度范圍內(nèi)對軌跡的精確跟蹤;設(shè)計新型滑模趨近率降低系統(tǒng)抖振提高系統(tǒng)穩(wěn)定性;數(shù)值仿真結(jié)果說明了設(shè)計的控制器可以同時應(yīng)對重心偏移與速度約束影響。在對速度約束的基礎(chǔ)上考慮坐墊機(jī)器人以有限時間跟蹤期望軌跡,設(shè)計了一種新的非線性滑模面,并基于變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計全局快速Terminal滑�？刂破�;利用李雅普諾夫理論分析證明了滑模面的可達(dá)性;提出了一種新的雙冪次趨近率,使得系統(tǒng)狀態(tài)從趨近滑模面到... 

【文章來源】：沈陽工業(yè)大學(xué)遼寧省

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

坐墊機(jī)器人實物結(jié)構(gòu)

第3章速度約束下坐墊機(jī)器人滑�？刂�233.3.2新型趨近率設(shè)計本小節(jié)通過設(shè)計新型趨近率改善控制的動態(tài)品質(zhì)與狀態(tài)趨近速度，降低抖振對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。在保證算法的實時性、快速性、魯棒性的基礎(chǔ)上提出了一種改進(jìn)的趨近率如下sskssklawsra12)tanh(（3.20）其中，0,01,0,012rakk公式（3.20）是通過冪次趨近率稍作改進(jìn)而得，用雙曲正切函數(shù)代替符號函數(shù)，使趨近過程具有平滑性�，F(xiàn)對此趨近率加以分析。指數(shù)項sskr1提升了系統(tǒng)狀態(tài)到滑模面的趨近速度，我們可以通過對參數(shù)r控制達(dá)到我們滿足實際需求的趨近速度。在運(yùn)動點(diǎn)遠(yuǎn)離滑模面時，有很大跟蹤誤差，控制率迫使運(yùn)動點(diǎn)以很快的速度向滑模面運(yùn)動，當(dāng)運(yùn)動點(diǎn)接近滑模面時sskr1將迅速減小直至為零，這時運(yùn)動點(diǎn)速度由)tanh(2sska來控制，此時雙曲正切函數(shù)發(fā)揮了作用，由于它的存在速度不會太大而且不會突變，將以小速度平滑過渡，此時狀態(tài)誤差不斷減小無限趨近于零，速度控制函數(shù))tanh(2sska數(shù)值也不斷變小，最終系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定在平衡點(diǎn)。sskr1主要加強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)指標(biāo)，保證控制的快速性，自適應(yīng)因子1k的影響系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。而含有雙曲正切函數(shù)的項，確保系統(tǒng)平滑運(yùn)動，這大大降低了系統(tǒng)抖振影響。雙曲正切函數(shù)表示如下eeeesssss)tanh(（3.21）下圖3.3表示雙曲正切函數(shù)和符號函數(shù)仿真曲線對比圖，明顯看出雙曲正切函數(shù)具有更好的平滑性。圖3.3雙曲正切函數(shù)與符號函數(shù)對比圖Fig.3.3Hyperbolictangentfunctionandsignfunctioncomparisionchart

沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文284)()]3.0cos(3.0[2)()]3.0sin(3.0[2)(tttytttxddd（3.51）假設(shè)坐墊機(jī)器人中M=12.5kg,m=60kg,I=27.7kg.m2,0r=0.16m,l=0.4m,maxv=0.25m/s,坐墊機(jī)器人最大運(yùn)動速度為0.58m/s，考慮安全因素，本文將最大速度設(shè)為0.25m/s。實際中機(jī)器人沿坐標(biāo)軸方向運(yùn)動，在x軸、y軸方向速度受限范圍內(nèi)，速度范圍分別為smvsmsmvsmyx/25.0/25.0/25.0/25.0。角速度對患者影響很小，故不對角速度進(jìn)行限制。系統(tǒng)初始狀態(tài)設(shè)置為x)0(=0m,y)0(=0m,)0(=/4。采用公式（3.20）表示的趨近率，在控制公式（3.36）的作用下經(jīng)過調(diào)試控制器中16.0,4.0,75,65,60,10,40,30,100,10,120021ddiagKiagcrldiagK運(yùn)用MATLAB仿真，仿真時間120s，時間間隔0.01s，其仿真結(jié)果如圖3.5-3.10。從圖3.4可以看出坐墊服務(wù)機(jī)器人在x軸上擺線跟蹤精度非常高，機(jī)器人在很短時間內(nèi)（約0.1s左右）就跟蹤上了指定軌跡。圖3.5顯示的是坐墊服務(wù)機(jī)器人在y軸上的運(yùn)動路線，與x軸跟蹤效果不同，機(jī)器人在y軸上運(yùn)動初始存在很大誤差，1.5s后逐漸跟上了擺線軌跡，然后一直保持穩(wěn)定精確跟蹤。從圖3.6可以看出坐墊服務(wù)機(jī)器人在零時刻方向角為0.8弧度，隨著時間增加，在大約5s左右，角度達(dá)到最大1.785弧度，然后角度開始減小，大約在10s左右恢復(fù)到了初始角度。因為在開始，就沒有對方向角進(jìn)行限制，這樣機(jī)器人才可以實現(xiàn)全方向大角度旋轉(zhuǎn)，體現(xiàn)了全向輪的優(yōu)勢。圖3.4X軸軌跡跟蹤Fig.3.4TrajectorytrackingofX-axis

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3454846