摘要
近年来，发展智能制造已经成为我国实现制造业强国重要方向，机械臂作为智能
制造的中坚力量被广泛运用在高端、精密的复杂任务中，因此，对于它的控制精度与稳
定性有了更高的要求。机械臂轨迹跟踪控制过程中存在如模型参数摄动，外界干扰，执
行器故障，输入饱和以及通信资源浪费等问题，这给机械臂轨迹跟踪控制带来了很大
的挑战。针对机械臂轨迹跟踪控制中遇到的上述问题，为实现高性能的控制目标，本课
题以滑模控制和自适应控制等控制方法为基础展开研究。具体研究内容如下：
(1)针对机械臂轨迹跟踪过程中受到复合干扰影响跟踪精度的问题，提出一种以干
扰观测器为基础的自适应终端滑模控制的方法。首先，推导并简化机械臂动力学模型，
依据该模型设计非线性干扰观测器对复合干扰进行估计与补偿，削弱其对机械臂控制
性能的影响，以提高控制器的抗干扰能力；随后，利用自适应方法估计观测器的观测误
差上限，结合非奇异快速终端滑模控制方法设计轨迹跟踪控制律，消除终端滑模存在
的奇异性问题，同时使跟踪误差快速收敛至零的邻域，且在一定程度上削弱抖振。同
时，利用李雅普诺夫稳定性定理，证明了该算法的有限时间收敛性；最后，通过仿真与
实验对比验证了所提控制方法的有效性，可以有效抑制复合干扰对系统控制效果的影
响，使得机械臂的两关节最大稳态误差分别减少40%和35%。
(2)针对机械臂轨迹跟踪过程中因存在复合干扰等因素影响导致执行器故障的问
题，提出一种自适应积分滑模容错控制方法。首先基于机械臂动力学模型建立机械臂
故障模型，设计能够对复合干扰和故障快速估计的复合观测器，通过将估计值补偿到
机械臂系统中，减少对机械臂控制性能的影响；将积分思想应用于非奇异终端滑模方
法中，设计一种自适应积分滑模容错控制方法，使故障发生后机械臂能快速进入新的
稳态；同时，利用李雅普诺夫稳定性定理，证明了该算法的有限时间收敛性；最后，通
过仿真验证了该控制方法可以有效地解决机械臂执行器故障引发的轨迹跟踪控制问题，
实现机械臂在高精度轨迹跟踪的控制目标。
(3)针对研究内容(2)中机械臂在启动阶段存在输入饱和以及运行时存在通信资源
浪费问题，结合事件触发机制提出了一种饱和补偿的容错控制方法。首先，基于研究内
容(2)的机械臂故障模型，设计了饱和补偿的辅助函数，解决了因输入饱和引起的系统
跟踪性能降低问题；同时，设计一种以控制律为触发条件的动态事件触发机制，在保证
系统跟踪精度的基础上降低控制器的触发频率，节省通信资源；利用李雅普诺夫稳定
性定理，证明了该算法的有限时间收敛性；最后，通过仿真验证了该控制方案可以有效
的解决机械臂输入饱和问题，在保证跟踪性能的同时，减少了通信损耗。
关键字：机械臂轨迹跟踪；自适应滑模；观测器；容错控制；事件触发
论文类型：应用研究
目录
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第1章绪论1
1.1课题来源1
1.2课题研究背景及意义1
1.3机械臂国内外发展现状2
1.4机械臂轨迹跟踪控制研究现状4
1.4.1机械臂轨迹跟踪常用控制方法4
1.4.2滑模控制方法研究进展6
1.4.3事件触发控制方法研究进展7
1.5主要研究内容与章节安排8
第2章机械臂动力学建模与相关基础知识10
2.1前言10
2.2机械臂动力学模型10
2.3机械臂执行器故障建模15
2.4系统稳定性理论16
2.5滑模控制理论16
2.6本章小结18
第3章基于干扰观测器的机械臂自适应终端滑模控制研究19
3.1前言19
3.2考虑复合干扰的机械臂动力学模型描述19
3.3控制器设计20
3.3.1非线性干扰观测器设计21
3.3.2轨迹跟踪控制器设计22
3.4仿真与实验25
3.4.1数值仿真验证25
3.4.2机械臂平台实验验证30
3.5本章小结32
第4章