[發明專利]一種基于擾動觀測器的機械手主次協調控制方法

有效

• 申請號: 201810049340.1
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108189037B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 鄧華;張翼;鐘國梁
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種機械手的擾動觀測器與主次協調控制方法，適用于機械手在不確定的環境下抓取物體的操作，其特征在于：首先建立機械手的動態模型，根據機械手設置的力傳感器，能夠獲取抓取力，建立一個非線性的擾動觀測器，同時分析了擾動觀測器的誤差；再利用估計出來的擾動量，結合被抓取物體估計的質量、剛度及其表面的摩擦系數，估計反射控制中的反射抓握力；最后結合主模式控制方法，建立主次協調控制策略，控制機械手在擾動作用下穩定地抓取物體；建立非線性的擾動觀測器及主次協調控制策略的具體步驟如下：

第一步，建立機械手動態模型：

其中q為關節的角位移，H(q)為慣性矩陣，為重力、摩擦力引起的關節轉矩，τ為驅動力矩，r為驅動力矩對機械手其中一個關節的耦合系數，對于單自由度機械手，r＝1，J為雅克比矩陣，f表示被抓取物體對機械手的反作用力，能夠采用如下的模型表示：

其中：x表示機械手與被抓取物體接觸點的位置，K表示被抓取物體的剛度矩陣，L表示接觸點到關節點的距離矩陣，

將式(2)代入式(1)得到

式中

第二步：建立非線性的擾動觀測器：

設

式中p(f₁,f₂)為非線性函數，其表達式為：

式中w表示擾動量，根據式(4)，建立一個非線性的擾動觀測器：

式中z₁,z₂,z₃為狀態變量，β₁,β₂,β₃,b為系數，sat(·)表示飽和函數，

采用如下形式的李雅普諾夫函數進行誤差分析：

式中e₂＝z₂-f₂，A，B和C表示正常數，

推導得到：

式中X＝(1.5Aβ₁-Bβ₂)，Y＝(1.5A-2Cβ₂+Bβ₂|e₁|^0.5)|e₁|^-0.25，Z＝B，p為式(5)給出的非線性函數；

第三步，建立主次協調控制策略：

當被抓取物體被檢測到滑移時，就需調節機械手的抓握力，抓握力的調整采用如下自適應的方式進行：

假若主模式抓握力較小，此時有mg-2f_dμ＞0，f_d為期望抓握力，被抓取物體在重力作用下產生滑移，取反射控制的期望抓握力為：

式中z₃為擾動觀測器的輸出，z₀為獲得滑移信息之前z₃的量，η₁與η₂為加權系數，δ為如下表達式：

其次，如果主模式抓握力能夠穩定抓握被抓取物體，但外界擾動引起被抓取物體滑移時，此時有mg-2f_dμ＜0，被抓取物體在擾動作用下產生滑移，設計擾動自適應調整方式為：

在主模式控制的抓握下，根據多指協調控制策略，機械手各個手指抓握力的期望值為r＝1,…,R，R表示參與抓握的手指數量，根據機械手期望抓握力得到各手指期望抓握力為

根據主次協調控制原理，最后主與次控制的增量如下：

式中g(·)表示模糊控制器，即將輸入δ,f映射為控制輸出u_m，

基于前述的擾動觀測器，得到：

式中

最后得到：

u＝u_m+u_r (14)

為主次協調的控制量。