[發明專利]一種具有時變輸出約束的多關節機械臂控制方法

有效

• 申請號: 201811441894.2
• 申請日: 2018-11-29
• 公開（公告）號: CN109352656B
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 吳玉香;黃睿
• 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: 劉巧霞

1.一種具有時變輸出約束的多關節機械臂控制方法，其特征在于，具體步驟包括：

(1)建立時變輸出約束下的多關節機械臂動力學模型和期望的跟蹤軌跡；

(2)建立將具有時變輸出約束的系統轉換為沒有約束的新系統的轉換函數；

(3)根據步驟(2)得到的轉換函數，將原機械臂系統轉換為新的機械臂系統；

(4)定義轉換后機械臂系統的跟蹤誤差信號；

(5)針對轉換后的機械臂系統設計穩定的自適應神經網絡控制器；

在步驟(1)中，所述時變輸出約束下多關節機械臂動力學模型為具有強非線性耦合的機械臂動態模型，表示為：

其中，X₁＝q，q＝[q₁ q₂...q_n]^T表示角位移，τ表示控制力矩，M(X₁)表示慣性矩陣，C_m(X₁,X₂)表示向心力矩陣，G(X₁)表示萬有引力矢量，J^T(X₁)表示機械臂的雅可比矩陣，F(X₂)表示摩擦力矢量，f(t)表示來自人和外界的擾動項；M(X₁),C_m(X₁,X₂),G(X₁),F(X₂),J^T(X₁),f(t)均未知；機械臂的時變輸出約束表示為：

所述步驟(2)中，設計一個新的狀態變量s_i以及一個關于s_i與η_i的嚴格單調遞增光滑函數Q_i(s_i,η_i)，表示為：

其中，e＝[e₁ e₂...e_n]^T表示輸出跟蹤誤差，和q＝[q₁q₂...q_n]分別表示機械臂的時變輸出約束的上界和下界，n表示具有時變輸出約束的剛性機械臂的關節數，和η_i(t)均為中間變量；

只需要s_i有界，即可使得輸出滿足時變輸出約束；

所述嚴格單調遞增光滑函數與轉換狀態變量具體表示為：

其中，表示轉換變量s_i對時間的導數；

在所述步驟(3)中，根據具體轉換函數得到的轉換后的新系統表示為：

其中，表示轉換中間變量的導數，H與R表示為：

其中，表示角位移，M(q)表示慣性矩陣，表示向心力矩陣，G(q)表示萬有引力矢量，J^T(q)表示機械臂的雅可比矩陣，f(t)表示來自人和外界的擾動項，e＝[e₁ e₂...e_n]^T表示輸出跟蹤誤差，和η_i(t)均為中間變量；

所述步驟(4)中，轉換后機械臂系統的跟蹤誤差表示為：

z₁＝[z₁₁,z₁₂,...,z_1n]^T＝[s₁,s₂,...,s_n]^T

z₂＝[z₂₁,z₂₂,...,z_2n]^T＝X₂-α

其中，z₁,z₂表示新系統中用于反步法設計過程的誤差變量，α為虛擬控制量，表示為：

其中，k₁＝diag{k₁₁,k₁₂,...,k_1n}表示一個需要設置的參數矩陣，q_d＝[q_d1 q_d2...q_dn]^T表示給定的輸出跟蹤軌跡；

所述步驟(5)中，設計的具有時變輸出約束的多關節機械臂自適應神經網絡控制器表示為：

其中，k₂＝diag{k₂₁,k₂₂,...,k_2n}表示一個設置的參數矩陣，表示局部RBF神經網絡，表示高斯基函數，N表示神經網絡中高斯基函數的個數，ξ_j,j＝1,...N表示空間中的不同節點，稱為高斯函數的中心點，η_j,j＝1,...N表示中心寬度，表示神經網絡的輸入，表示所用RBF神經網絡權值的估計向量，z₁,z₂表示新系統中的誤差變量，α為虛擬控制量。