多轴机器人系统输出反馈有限时间同步位置控制

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220415

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (9): 56-68.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220415

多轴机器人系统输出反馈有限时间同步位置控制

季祥¹^,² 王海红³ 翟天嵩³ 屈保中² 李鹏¹

^1.西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安 710071
^2.河南工业职业技术学院自动化工程学院，河南南阳 473000
^3.南阳理工学院智能制造学院，河南南阳 473004

收稿日期:2022-07-01 出版日期:2023-09-25 发布日期:2023-03-16
通信作者: 季祥（1981-），男，博士生，讲师，主要从事机器人控制技术、太阳能聚光器设计、天线结构设计等研究。 E-mail:xji@stu.xidian.edu.cn
作者简介:季祥（1981-），男，博士生，讲师，主要从事机器人控制技术、太阳能聚光器设计、天线结构设计等研究。
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(61971334);河南省科技攻关项目(212102210368);河南省高校大学生创新创业训练计划项目(202211653008);南阳理工学院博士科研启动基金资助项目(NGBJ-2019-08)

Global Output Feedback Finite-Time Synchronization Regulation of Robot Manipulators Using Only Position Measurements

JI Xiang¹^,² WANG Haihong³ ZHAI Tiansong³ QU Baozhong² LI Peng¹

^1.School of Electro-Mechanical Engineering，Xidian University，Xi’an 710071，Shaanxi，China
^2.School of Automation Engineering，Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，Henan，China
^3.School of Intelligent Manufacturing，Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，Henan，China

Received:2022-07-01 Online:2023-09-25 Published:2023-03-16
Contact: 季祥（1981-），男，博士生，讲师，主要从事机器人控制技术、太阳能聚光器设计、天线结构设计等研究。 E-mail:xji@stu.xidian.edu.cn
About author:季祥（1981-），男，博士生，讲师，主要从事机器人控制技术、太阳能聚光器设计、天线结构设计等研究。
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(61971334);the Key Scientific and Technological Program of Henan Province(212102210368);the College Students’ Innovative Entrepreneurial Training Plan Program of Henan Province(202211653008)

摘要/Abstract

摘要：

机器人的位置控制是机器人控制领域最基本、最简单的目标。针对多轴机器人系统的高精度位置控制问题，文中结合交叉耦合技术，提出一种输出反馈非线性PD加重力补偿（PD+）同步位置控制器，应用Lyapunov稳定性理论和几何齐次性技术严格证明了闭环系统的全局有限时间稳定性。相比于渐近稳定的全状态反馈控制，所提出的控制器能实现只基于位置测量的多轴机器人系统输出反馈有限时间稳定位置控制；相比于渐近稳定的输出反馈控制，所提出的控制器能实现系统状态的有限时间稳定；相比于不含同步控制项的输出反馈控制，非线性同步控制项的恰当引入使得所提出的控制器能在保证多轴机器人系统的高精度位置控制的前提下，兼顾各轴间的同步协调运动。所提出的控制器具有结构简单、易于实现、更快响应速度和更好系统整体性能等优点，满足生产实际对机器人系统的高精度要求。数值仿真结果验证了所提出的控制算法的有效性和期望系统性能。所提出的控制方法不仅保证了多轴机器人系统的输出反馈全局有限时间稳定同步控制，同时也为一大类非线性二阶系统的输出反馈同步位置镇定提供了一种有效的替代方法。

关键词: 机器人系统, 输出反馈控制, 位置控制, 同步控制, 全局有限时间稳定性

Abstract:

The position control of robot manipulators has been recognized as the most fundamental and simplest objective in the robotic control field. For the high-precision position control problem of the multi-axis robot system, this study proposed a simple output feedback nonlinear PD plus gravity compensation (PD+) synchronization position controller combining with the cross-coupling techniques. The global finite-time stability of closed-loop systems was strictly demonstrated by applying Lyapunov stability theory and geometric homogeneity techniques. Compared with the asymptotic stable full-states feedback control schemes, the presented controller ensures the finite-time stability of the robot manipulators with position measurements only; compared with the output feedback asymptotic stable controllers, the proposed controller ensures the finite-time convergence of robot’s states; compared with the output feedback controllers without synchronization term, the proper introduction of nonlinear synchronization control items enables the proposed controller to take into account the synchronous and coordinated motion between the axes on the premise of ensuring the high-precision position control of the multi-axis robot system. The proposed controller has the advantages of simple structure, easy implementation, faster response speed and better overall system performance, which meets the high precision requirements of actual production for the robot system. Numerical simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed control algorithm and the expected performance of the system. The proposed control method not only ensures the global output feedback finite-time stable synchronization control of multi-axes robot systems, but also provides an effective alternative approach for the output feedback synchronization position stabilization of a large class of nonlinear second-order systems.

Key words: robot system, output feedback control, position measurement, synchronization control, global finite-time stability

中图分类号:

TP273

季祥, 王海红, 翟天嵩, 等. 多轴机器人系统输出反馈有限时间同步位置控制[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(9): 56-68.

JI Xiang, WANG Haihong, ZHAI Tiansong, et al.. Global Output Feedback Finite-Time Synchronization Regulation of Robot Manipulators Using Only Position Measurements[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(9): 56-68.

图/表 12

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参考文献 32

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多轴机器人系统输出反馈有限时间同步位置控制

Global Output Feedback Finite-Time Synchronization Regulation of Robot Manipulators Using Only Position Measurements

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