Stabilization position of robot manipulator based on robust sliding mode control with high performance
Abstract
This article presents a method to design a robust sliding mode control with high performance (RSMC-HP) for robot manipulators. This is a nonlinear system that requires high trajectory tracking accuracy and effectively maintains the kinematics of the manipulator for industrial development. The proposed controller is designed to ensure that the actual positions of the robot manipulator follow the given positions with the signum function replaced by the hyperbolic tangent function. The stability of the system is proven by Lyapunov theory. Simulation results with MATLAB/Simulink show the effectiveness and robustness of the proposed controller with the rising time achieves 0.4962(s), the settling time is 1.0483(s), the steady state error is 0(rad), the percent overshoot is 0(%), IAE (Integral Absolute Error) is 0.1398, ISE (Integral Square Error) is 0.0378 for link 1 and link 2 are 0.5377(s), 1.3956(s), 0(rad), 0(%), 0.1395, 0.0316, respectively.
Tóm tắt
Bài báo này trình bày phương pháp thiết kế bộ điều khiển trượt bền vững với hiệu suất cao cho tay máy robot. Đây là hệ thống phi tuyến yêu cầu độ chính xác bám quỹ đạo cao và duy trì hiệu quả động học của tay máy cho sự phát triển công nghiệp. Bộ điều khiển đề xuất được thiết kế đảm bảo các vị trí thực tế của tay máy robot bám theo các vị trí cho trước với hàm signum được thay thế bằng hàm hyperbolic tangent. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh bằng lý thuyết Lyapunov. Các kết quả mô phỏng với MATLAB/Simulink cho thấy hiệu quả và tính bền vững của bộ điều khiển đề xuất với thời gian tăng đạt 0,4962(s), thời gian xác lập là 1,0483(s), sai số xác lập là 0(rad), độ vọt lố là 0(%), tích phân trị tuyệt đối sai số (IAE - Integral Absolute Error) là 0,1398, tích phân bình phương sai số (ISE - Integral Square Error) là 0,0378 cho thanh 1 và tương ứng với thanh 2 là 0,5377(s), 1,3956(s), 0(rad), 0(%), 0,1395 và 0,0316.
References
[1] MĐ Hoàng, PD Thi, ND Huy, and NT Lâm, “Điều khiển ổn định cho Robot hai bậc tự do sử dụng mô hình mờ Takagi-Sugeno,” Measurement, Control, and Automation, vol. 3, no. 1, pp. 65–72, 2022.
[2] Q. Zhang, M. Mu, H. Ji, Q. Wang, and X. Wang, “An adaptive type-2 fuzzy sliding mode tracking controller for a robotic manipulator,” era, vol. 31, no. 7, pp. 3791–3813, 2023, doi: 10.3934/era.2023193.
[3] Nguyễn Vinh Quan, “Mạng nơ-ron và điều khiển thích nghi cho robot hai bậc tự do,” Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh, vol. 16, pp. 73–79, 2020.
[4] Võ Thu Hà, “Ứng Dụng Luật Điều Khiển Lực Theo Phương Pháp Điều Khiển Trở Kháng Tích Cực Kết Hợp Mạng Nơron Cho Hệ Chuyển Động Robot Almega 16,” Tạp chí Khoa Học & Công Nghệ, vol. 42, pp. 25–30, 2017.
[5] Lê Anh Tuấn and Đỗ Đức Lưu, “Điều khiển Rô bốt kểu tay đôi sử dụng kỹ thuật trượt SMC,” Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, vol. 50, pp. 1–10, 2017.
[6] Phan Đình Hiếu, Đào Minh Tuấn, Lê Ngọc Duy, and Lê Văn Nghĩa, “Thiết kế bộ điều khiển trượt vị trí/lực cánh tay robot tương tác với môi trường làm việc,” Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Công nghiệp Hà Nội, vol. 55, pp. 67–70, 2019.
[7] Xinyu Shao, Zhen Liu, and Baoping Jiang, “Sliding-mode controller synthesis of robotic manipulator based on a new modified reaching law,” in Mathematical Biosciences and Engineering, 2022, pp. 6362–6378. doi: 10.3934/mbe.2022298.
[8] Fatma Massaoudi, Dorsaf Elleuch, and Tarak Damak, “Robust Control for a Two DOF Robot Manipulator,” Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 2019, pp. 1–11, 2019, doi: 10.1155/2019/3919864.
[9] Sibbir Ahmed, Kshetrimayum Lochan, and Binoy Krishna Roy, “Fractional-Order Adaptive Sliding Mode Control for a Two-Link Flexible Manipulator,” in Innovations in Infrastructure, vol. 757, Dipankar Deb, Valentina E. Balas, and Rajeeb Dey, Eds., in Advances in Intelligent Systems and Computing, vol. 757, Singapore: Springer Singapore, 2019, pp. 33–53. doi: 10.1007/978-981-13-1966-2_4.
[10] Barış ÖZYER, “Adaptive fast sliding neural control for robot manipulator,” Turk J Elec Eng & Comp Sci, vol. 28, no. 6, 2020, doi: 10.3906/elk-2001-129.
[11] Ayman A Aly, “Fuzzy Disturbance Rejection Control of Two Link Robot Manipulator,” Journal of Asian Scientific Research, vol. 7, no. 7, pp. 288–296, 2017, doi: 10.18488/journal.2.2017.77.288.296.
[12] Vu Thi Yen, Wang Yao Nan, Pham Van Cuong, Nguyen Xuan Quynh, and Vu Huu Thich, “Robust adaptive sliding mode control for industrial robot manipulator using fuzzy wavelet neural networks,” Int. J. Control Autom. Syst., vol. 15, no. 6, pp. 2930–2941, 2017, doi: 10.1007/s12555-016-0371-5.
[13] El-Hadi Guechi, Samir Bouzoualegh, Lotfi Messikh, and Saso Blazic, “Model predictive control of a two-link robot arm,” in 2018 International Conference on Advanced Systems and Electric Technologies (IC_ASET), Hammamet: IEEE, Mar. 2018, pp. 409–414. doi: 10.1109/ASET.2018.8379891.
[14] T. S. Lee, E. A. Alandoli, and V. Vijayakumar, “2-DOF robot modelling by SimMechanics and PD-FL integrated controller for position control and trajectory tracking,” F1000Res, vol. 10, pp. 1–16, 2021, doi: 10.12688/f1000research.72912.1.
[15] Qiang Mi, Feng Jia, Yu Bai, and Gerard Edwards, “Comparison PID and PDF Control in 2 Degree of Freedom Robotic Manipulator,” International Conference on Precision Machining, Non-Traditional Machining and Intelligent Manufacturing (PNTIM 2019), vol. 5, pp. 144–148, 2019.
[16] B. Mahboub and D. Stephen, “A Two-Link Robot Manipulator: Simulation and Control Design,” Int J Robot Eng, vol. 5, no. 2, pp. 1–17, 2020, doi: 10.35840/2631-5106/4128.
[17] Azzedine Khati, “Backstepping Control of Two Degrees of Freedom (2-DOF) Robot Manipulator,” Majlesi Journal of Mechatronic Systems, vol. 9, no. 4, pp. 27–33, 2020.
[18] Bekir Cirak, “Modeling and Controlling of a 2 DOF Robot Manipulator with Artificial Neural Networks,” Journal of Modern Technology and Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 258–264, 2018.
[19] Jinkun Liu and Xinhua Wang, Advanced Sliding Mode Control for Mechanical Systems. Springer, 2012.
