Fast Finite-Time Sliding Mode Control for Chattering-Free Trajectory Tracking of Robotic Manipulators

要約

従来のスライディングモード制御(SMC)では、システムの不確定性やチャタリングの影響により、ロボットアームにおいて正確で効率的な軌道追従を実現することは、依然として重要な課題である。本論文では、有限時間収束を確保しつつ、追従精度とロバスト性を向上させるために設計された、3自由度ロボットアーム用のチャタリングのない高速終端スライディングモード制御（FTSMC）戦略を紹介する。この制御フレームワークは、ニュートン・オイラー力学を用いて開発され、その後、システムの角位置と角速度を捉える状態空間表現が行われる。改良されたスライディングサーフェスとリアプノフに基づく安定性解析を組み込むことにより、提案するFTSMCは、高速応答や強力な外乱除去といったSMCの利点を維持しつつ、チャタリングを効果的に緩和する。従来のPDスライディングモード制御(PDSMC)やターミナルスライディングモード制御(TSMC)との比較を通じて、コントローラの性能を厳密に評価する。シミュレーションの結果、提案手法は既存の手法と比較して、優れた軌道追従性能、収束の高速化、安定性の向上を達成しており、高精度ロボットアプリケーション向けの有望なソリューションであることが実証された。

要約(オリジナル)

Achieving precise and efficient trajectory tracking in robotic arms remains a key challenge due to system uncertainties and chattering effects in conventional sliding mode control (SMC). This paper presents a chattering-free fast terminal sliding mode control (FTSMC) strategy for a three-degree-of-freedom (3-DOF) robotic arm, designed to enhance tracking accuracy and robustness while ensuring finite-time convergence. The control framework is developed using Newton-Euler dynamics, followed by a state-space representation that captures the system’s angular position and velocity. By incorporating an improved sliding surface and a Lyapunov-based stability analysis, the proposed FTSMC effectively mitigates chattering while preserving the advantages of SMC, such as fast response and strong disturbance rejection. The controller’s performance is rigorously evaluated through comparisons with conventional PD sliding mode control (PDSMC) and terminal sliding mode control (TSMC). Simulation results demonstrate that the proposed approach achieves superior trajectory tracking performance, faster convergence, and enhanced stability compared to existing methods, making it a promising solution for high-precision robotic applications.

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