[發明專利]一種空間機器人協調運動的自適應模糊控制方法

有效

• 申請號: 201811220176.2
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109176529B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 陳志勇;李振漢;鄭永銘;王奮勇;譚健偉
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

1.一種空間機器人協調運動的自適應模糊控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1、對于空間機器人，給出關節空間系統動力學方程；

步驟S2、利用協調運動下的系統運動Jacobi矩陣，將關節空間系統動力學方程轉化為操作空間動力學方程；

步驟S3、假設系統處于理想工況，初步設計空間機器人載體姿態與末端抓手協調運動的非線性反饋控制方案；

步驟S4、提出新型自適應模糊控制方案來替代非線性反饋控制方案，以進一步實現系統在未知慣性參數及外部擾動綜合影響下的協調運動軌跡跟蹤控制問題；

所述步驟S1中，關節空間系統動力學方程為：

其中，D(q)∈R^3×3為空間機器人的對稱、正定慣性矩陣；為包含系統科氏力、離心力的列向量；τ_c∈R³為系統所面臨的有界外部擾動；q＝[α,β₁,β₂]^T為系統載體姿態角α和機械臂兩關節角β₁、β₂組成的列向量，且分別為q對時間t的一階及二階導數；u＝[u₀,u₁,u₂]^T∈R³為系統載體姿態控制力矩u₀及機械臂各關節控制力矩u_i(i＝1,2)所組成的列向量；

所述步驟S2的具體實現過程為：

設Y＝[α,X^T]^T為載體姿態及末端抓手協調運動時的系統實際控制輸出，X＝[x_p,y_p]^T為空間機器人末端抓手的實際位置，且分別為Y對時間t的一階及二階導數，則與之間將滿足如下關系

其中，為系統執行協調運動時的廣義Jacobi矩陣；E_α＝[1,0,0]∈R^1×3，為末端速度與關節空間速度間的運動Jacobi矩陣，且J_β各元素與系統慣性參數密切相關；

設J可逆，即J_v＝J^-1，且為J_v的估計值，將代入關節空間系統動力學方程并在方程兩端同時左乘可導出系統操作空間動力學方程：

其中，

所述步驟S3的具體實現過程為：

設空間機器人協調運動的期望控制輸出為且α_d、X_d＝[x_pd,y_pd]^T分別為二階可導的載體姿態及末端抓手期望函數，x_pd、y_pd分別為x_p、y_p所對應的期望函數；

定義系統的跟蹤誤差為e＝Y_d-Y＝[e₀,e₁,e₂]^T及濾波誤差為且e₀＝α_d-α、e₁＝x_pd-x_p、e₂＝y_pd-y_p，為e對時間t的一階導數；設計理想工況下的系統非線性反饋控制規律如下：

其中，增益矩陣λ＝diag[λ₁,λ₂,λ₃]、K＝diag[k₁,k₂,k₃]、H＝diag[h₁,h₂,h₃]，且λ_i、k_i、h_i(i＝1,2,3)均為適當選取的正常數；ε為大于零的小常數。

2.根據權利要求1所述的一種空間機器人協調運動的自適應模糊控制方法，其特征在于，所述步驟S4的具體實現過程為：

采用模糊邏輯控制器來直接逼近操作空間下的理想控制輸入量該模糊控制器由三個并行的子模糊控制器組成，每個子模糊控制器逼近理想控制輸入量的一個元素；根據模糊控制理論，可被表示為：

其中，W＝diag[w₁,w₂,w₃]為各子模糊控制器回歸列向量w_i(i＝1,2,3)所組成的塊狀對角矩陣；為各子模糊控制器最優權值參數所組成的列向量；Δ＝[δ₁,δ₂,δ₃]^T為模糊控制器的最優逼近誤差列向量，其中，δ_i(i＝1,2,3)為第i個子模糊控制器的最優逼近誤差；

設為模糊控制器θ^*所對應的實時權值，則針對空間機器人協調運動的新型自適應模糊控制律可設計為：

其中，r＞0為權值自適應調節因子；σ＞0為適當選取的小常數。