[發明專利]一種基于遞階結構MPC的多自由度柔性關節機械臂系統的控制方法

有效

• 申請號: 201910036138.X
• 申請日: 2019-01-15
• 公開（公告）號: CN109648564B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 黃向慧;倪琪;潘紅光;米文毓;黃心怡;蘇濤;溫帆
• 申請（專利權）人: 西安科技大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 段俊濤

一種基于遞階結構MPC的多自由度柔性關節機械臂系統的控制方法，假設連接在電機轉子與連桿之間的彈簧彈性系數為柔性關節的剛度系數，即關節無減速裝置，建立柔性關節機械臂的動力學模型；在逆運動學中加入軌跡規劃構成笛卡爾控制器，將動力學部分與運動學部分相互聯系，使得機械臂能夠穩定運行笛卡爾控制器所設計的目標軌跡；在PD控制器的基礎上，設計一種遞階結構的控制器，將上層預測控制器進行多變量控制，得到每一個關節運動PD控制器的設定值，再送入下層PD控制器進行實現；在整體結構下，基于遞階結構的控制器，實現多自由度柔性關節機械臂系統的控制，本發明實現了對被控對象施以實時滾動的最優控制，能很好地克服模型不精確帶來的誤差。

技術領域

本發明屬于工業控制及自動化技術領域，涉及機械臂的控制，特別涉及一種基于遞階結構MPC的多自由度柔性關節機械臂系統的控制方法。

背景技術

相對于傳統的剛性機械臂，柔性關節機械臂具有質量輕、體積小、能耗低等特點，其應用范圍越來越廣，涉及航天領域、醫療領域、工業裝配等領域，這對機械臂的控制要求極高。而且實踐證明，關節的柔性不僅影響關節的運行質量，更嚴重影響機械臂系統的運動特性。因此，柔性關節機械臂的建模以及控制方法的研究有非常重要的實際意義。

PID控制方法簡單靈活、不依賴于系統模型，已被廣泛地應用于工業機器人的控制系統中。但隨著工業要求的不斷提高，單一的PID控制器很難同時達到快速、精確和穩定的要求。機械臂的每一個關節都需要一個控制器，對于多關節機械臂，則需要多個控制器，不僅使系統動力學耦合問題復雜、難控制，而且成本較高。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于遞階結構MPC的多自由度柔性關節機械臂系統的控制方法，利用基于模型的閉環優化控制算法——預測控制(model predictive control,MPC)算法，對多自由度機械臂模型進行改進，得到一種通用的模型，并設計一種遞階結構的控制器，將多輸入多輸出的預測控制器作為上層控制器，對關節角度進行優化，再將輸出送入下層的PD控制器中進行執行，增強系統的穩定性；本發明實現了對被控對象施以實時滾動的最優控制，能很好地克服模型不精確帶來的誤差。其成本低廉、通用性強、靈活性好、結構簡單，可以使機械臂實現精密動作，并且穩定性強。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種基于遞階結構MPC的多自由度柔性關節機械臂系統的控制方法，包括如下步驟：

步驟一、假設連接在電機轉子與連桿之間的彈簧彈性系數為柔性關節的剛度系數，即關節無減速裝置，建立柔性關節機械臂的動力學模型；

步驟二、設計整體結構：首先在逆運動學中加入軌跡規劃，構成笛卡爾控制器，其次將動力學部分與運動學部分相互聯系，使得機械臂能夠穩定運行笛卡爾控制器所設計的目標軌跡；

步驟三、控制器設計：在PD控制器的基礎上，設計一種遞階結構的控制器，將上層預測控制器進行多變量控制，得到每一個關節運動PD控制器的設定值，再送入下層PD控制器進行實現；

步驟四、在所述整體結構下，基于所述遞階結構的控制器，實現多自由度柔性關節機械臂系統的控制。

柔性關節機械臂的動力學模型的公式如下：

式中，H(q)為機械臂的慣量矩陣，為關節空間的科氏力與向心力系數矩陣，G(q)為重力向量；