[發明專利]一種位置受限柔性關節機器人基于模式的智能控制方法

有效

• 申請號: 201811219207.2
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109227543B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 王敏;黃盛釗;鄒永濤;陳志廣
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 裴磊磊

本發明公開了一種位置受限柔性關節機器人基于模式的智能控制方法，包括以下步驟：建立柔性關節機器人的動力學模型和若干個期望回歸軌跡的通用模型；基于實際工況，給定位置受限的約束條件，設計相應的位置轉換函數，根據確定學習理論設計基于參考模式的滿足暫態性能要求的常值神經網絡控制器組；建立期望回歸軌跡模型的動態模式庫；設計基于動態模式的模式識別方案和控制器切換策略。該方法使得柔性關節機器人在輸出變量滿足指定的約束條件下從復雜的工作任務中獲取和利用經驗知識，實現了系統對動態模式的實時監測以及自主快速識別，同時保證了在模式切換過程中控制輸入信號的光滑連續性，為控制系統的穩定性提供了保障。

技術領域

本發明涉及基于模式識別的柔性關節機器人控制領域，具體涉及一種位置受限柔性關節機器人基于模式的智能控制方法。

背景技術

人類科技日新月異，隨之誕生了可以有效減輕人類負擔和工作的機器人，而其誕生和發展則進一步促進了人類社會的不斷進步。機械臂是機器人的一個重要分支，其中柔性關節機器人以其體小、質輕、低耗、高效和靈活方便等優點，成為現在和未來人們深入研究的重要領域。對柔性關節機器人的研究包括其動力學模型的研究和對其控制策略的研究。尤其在航天航空、精密機械及其自動化控制等方面，柔性關節機器人都占據舉足輕重的地位。而在一些特殊場合，它也能代替人力完成勞動強度大、安全風險高和操作環境復雜的工作。在不斷擴大的應用需求以及智能制造業的大背景下，人們對柔性關節機器人控制系統的智能化程度要求越來越高，比如說，會要求它能夠在復雜的工作任務中獲取經驗知識，并利用存儲的經驗知識提高工作效率和工作質量，同時由于實際情況的制約，其狀態變量還得滿足一定的約束條件。

近年來，模式識別的研究得到了科研工作者的廣泛關注，動態模式的識別作為模式識別領域最困難的任務之一，確定學習理論則為解決這方面難題提供了有效的手段，然而以柔性關節機器人為控制對象的模式控制研究應用并不多。基于動態模式的柔性關節機器人控制系統要求其在執行任務的同時，能夠實時監測所執行的模式。同時，出于對現實情況的考慮，一個跟蹤性能達標的柔性關節機器人不僅要求其有效跟蹤期望軌跡，也要考慮控制系統輸出的暫態響應和穩態響應滿足在指定的界限內。在不同的任務之間作切換時，控制器輸入信號的切換會存在跳變，這會對柔性關節機器人的驅動機構造成損害，從而破壞控制系統的穩定性。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種位置受限柔性關節機器人基于模式的智能控制方法，針對動態環境下的模式識別問題，提出了動態模式識別方案，實現了機械臂系統對動態模式的實時監測和快速識別，為保證關節機器人系統的控制性能提供了前提條件；同時在此基礎上，利用位置轉換函數將輸出受限問題轉換為無受限問題，對轉換后的變量利用李雅普諾夫方法保證了其穩定性，構造了常值神經網絡控制器組，設計了基于動態模式的控制器切換策略，成功解決了控制器切換時存在的控制輸入跳變問題，保障了控制系統的安全性和穩定性。

本發明的目的可以通過如下技術方案實現：

一種位置受限柔性關節機器人基于模式的智能控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1、建立柔性關節機器人的動力學模型和若干個期望回歸軌跡模型；

步驟2、給定柔性關節機器人連桿關節角位移的約束條件：

其中，n表示關節數，q_1i表示各連桿關節的角位移矢量，將q₁₁,q₁₂,…,q_1n寫成向量模式，q₁＝(q₁₁,q₁₂,...,q_1n)^T，q₁表示轉換前的系統輸出變量，-k_i和分別表示第i個關節角位移矢量所約束的上下界限；

設計位置轉換函數：