[發(fā)明專利]一種基于模糊優(yōu)化的欠驅(qū)動機(jī)械臂分層滑模控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810965656.5
• 申請日: 2018-08-23
• 公開（公告）號: CN108972560B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 高欣;翟林;任澤宇;劉惠禾
• 申請（專利權(quán)）人: 北京郵電大學(xué)
• 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

本發(fā)明實(shí)施例公開了一種基于模糊優(yōu)化的欠驅(qū)動機(jī)械臂分層滑模控制方法。包括：建立平面二自由度主動?被動型(AP型)欠驅(qū)動機(jī)械臂動力學(xué)模型，將非線性耦合動力學(xué)模型簡化為仿射非線性系統(tǒng)形式，以兩個關(guān)節(jié)角度作為控制目標(biāo)；然后，設(shè)計分層滑模控制器，將每個關(guān)節(jié)的角度和角速度組成一個子系統(tǒng)，求解兩個子系統(tǒng)等效輸入，并利用李雅普諾夫反饋函數(shù)法構(gòu)造滑模總切換面，得到控制率；最后，設(shè)計模糊規(guī)則動態(tài)優(yōu)化滑模控制率中的切換魯棒項(xiàng)，解決以往控制系統(tǒng)存在的抖振問題。與其他平面二自由度AP型機(jī)械臂控制方法相比，本發(fā)明實(shí)施例所提出的技術(shù)方案可以降低控制過程的穩(wěn)態(tài)時間并提高控制精度。

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明屬于自動化控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及模糊控制和分層滑模控制，具體是一種基于模糊優(yōu)化的欠驅(qū)動機(jī)械臂分層滑模控制方法。

【背景技術(shù)】

空間作業(yè)常常要求機(jī)械手有足夠的靈活性和冗余度。在微重力環(huán)境下，機(jī)械臂可以使用高強(qiáng)度碳纖維等重量極輕的材料，然而驅(qū)動電機(jī)目前還無法做得非常輕巧。而在能夠完成要求動作的前提下使用非驅(qū)動關(guān)節(jié)可以大大減輕重量，從而大大降低將有效載荷送上衛(wèi)星運(yùn)行軌道的成本。

在欠驅(qū)動機(jī)械臂系統(tǒng)的控制器設(shè)計中，因?yàn)椴粷M足Brockett關(guān)于光滑反饋鎮(zhèn)定的必要條件，難以用一般的反饋方法進(jìn)行控制。利用關(guān)節(jié)間的摩擦力來控制非驅(qū)動關(guān)節(jié)只適用于慢速運(yùn)動；分層滑模控制技術(shù)當(dāng)總的控制輸入包括全部子系統(tǒng)的等效輸入以及合適的切換項(xiàng)可以使得系統(tǒng)能夠在有限時間內(nèi)到達(dá)滑模總表面。然而分層滑模控制方法在控制的穩(wěn)態(tài)時間及控制精度上還亟待優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

有鑒于此，鑒于上述分層滑模控制方法所存在的問題，本發(fā)明提出一種基于模糊優(yōu)化的欠驅(qū)動機(jī)械臂分層滑模控制方法，包括：

建立平面二自由度主動-被動AP型欠驅(qū)動機(jī)械臂動力學(xué)模型，將非線性耦合動力學(xué)模型簡化為仿射非線性系統(tǒng)形式，以兩個關(guān)節(jié)角度作為控制目標(biāo)；

設(shè)計分層滑模控制器，將每個關(guān)節(jié)的角度和角速度組成一個子系統(tǒng)，求解兩個子系統(tǒng)等效輸入，并利用李雅普諾夫反饋函數(shù)法構(gòu)造滑模總切換面，得到控制率；

設(shè)計模糊規(guī)則動態(tài)優(yōu)化滑模控制率中的切換魯棒項(xiàng)，解決以往控制系統(tǒng)存在的抖振問題。

上述方法中，建立平面二自由度主動-被動AP型欠驅(qū)動機(jī)械臂動力學(xué)模型，將非線性耦合動力學(xué)模型簡化為仿射非線性系統(tǒng)形式，以兩個關(guān)節(jié)角度作為控制目標(biāo)，包括：

建立平面二自由度AP型欠驅(qū)動機(jī)械臂動力學(xué)模型如下：

由式(1)可知，這是一個單輸入多輸出的非線性耦合系統(tǒng)，其中，θ、分別表示關(guān)節(jié)角序列、關(guān)節(jié)角速度序列以及關(guān)節(jié)角加速度序列，均為2維列向量；M(θ)∈R^2×2為關(guān)節(jié)空間中的慣性矩陣；為哥氏力和離心力矩陣；τ＝(τ₁,0)^T為關(guān)節(jié)力矩矢量，其中τ₁為主動關(guān)節(jié)的輸入力矩，被動關(guān)節(jié)的輸入力矩為0；把兩組狀態(tài)變量當(dāng)做兩個子系統(tǒng)，將上述表達(dá)式進(jìn)行變形可以得到：

其中M^-1(θ)為慣性矩陣M(θ)的逆矩陣，將公式(2)展開為仿射非線性系統(tǒng)的形式，得到：

其中，a₁,a₂,a₃為機(jī)械臂本身相關(guān)參數(shù)，均為正的常數(shù)；

a₃＝m₂l₁r₂