[發(fā)明專利]電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的點對點迭代學習優(yōu)化控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911119240.2
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN110815225B
• 公開（公告）日: 2020-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陶洪峰;李健;黃彥德
• 申請（專利權(quán)）人: 江南大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 無錫華源專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32228
• 代理人: 聶啟新

本發(fā)明公開了電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的點對點迭代學習優(yōu)化控制方法，涉及機械臂優(yōu)化控制領(lǐng)域。該方法基于提升技術(shù)將重復(fù)運行的單機械臂系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為時間序列的輸入輸出矩陣模型，然后基于性能指標設(shè)計點對點軌跡跟蹤魯棒迭代學習優(yōu)化方法，通過求解多目標性能指標函數(shù)的二次型最優(yōu)解得到優(yōu)化迭代學習控制律，并根據(jù)最大奇異值理論證明當模型存在有界不確定性時算法的魯棒收斂性，以及證明了機械臂系統(tǒng)在輸入受約束情況下的收斂性，該方法可以解決機械臂系統(tǒng)的點對點跟蹤控制問題，同時考慮了輸入受約束以及建模存在不確定性的情況，從而實現(xiàn)對指定點處期望軌跡的高精度跟蹤。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機械臂優(yōu)化控制領(lǐng)域，尤其是電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的點對點迭代學習優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)

機械臂是能模仿人手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械臂在執(zhí)行重復(fù)過程任務(wù)時往往不需要跟蹤完整的期望軌跡，只需要在某些特定的時間點處跟蹤給定的期望值，比如機械臂的“取”和“放”操作，只需要專注拾取點和放置點的輸出，而其它時間點的輸出往往不需要多加考慮，機械臂的這類控制問題稱為點對點跟蹤控制。

點對點跟蹤問題的常用解決思路有兩種：其一為設(shè)計一條經(jīng)過特定跟蹤點的任意軌跡，從而把該問題轉(zhuǎn)化為一般的全軌跡跟蹤，但此方法存在局限性，需要足夠的先驗知識才能確定最佳的固定參考軌跡，并且沒有充分利用非跟蹤時間點的自由度設(shè)計控制器；其二為基于參考軌跡更新的點對點控制方法，雖然較固定參考軌跡方法收斂快，但本質(zhì)上還是全軌跡跟蹤問題，全軌跡跟蹤需要跟蹤整個軌跡的輸出，而有的工業(yè)過程例如機械臂操作只需要跟蹤軌跡上的幾個點的期望值就能達到控制要求。

迭代學習控制(Iterative learning control，ILC)是一種廣泛應(yīng)用于執(zhí)行重復(fù)任務(wù)的高性能控制方法，針對上述點對點跟蹤問題，點對點ILC方法應(yīng)運而生。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明人針對上述問題及技術(shù)需求，提出了電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的點對點迭代學習優(yōu)化控制方法，利用指定時間點處的跟蹤誤差信息來更新輸入，進而消除了不必要的非關(guān)鍵點跟蹤約束，非關(guān)鍵點處的自由度給算法設(shè)計增加自由度的同時，也增加了系統(tǒng)整體性能的提升空間。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的點對點迭代學習優(yōu)化控制方法，該方法包括：

建立電機驅(qū)動單機械臂控制系統(tǒng)的模型；構(gòu)建電機驅(qū)動單機械臂控制系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間方程；建立點對點軌跡跟蹤模型；設(shè)計點對點迭代學習軌跡跟蹤優(yōu)化算法；分析點對點迭代學習軌跡跟蹤優(yōu)化算法的收斂性和魯棒性；分析點對點迭代學習軌跡跟蹤優(yōu)化算法在輸入約束條件下的收斂性和魯棒性；實現(xiàn)電機驅(qū)動單機械臂控制系統(tǒng)在有輸入約束情形下的點對點軌跡跟蹤；

第一步、建立電機驅(qū)動單機械臂控制系統(tǒng)的動態(tài)模型：

電機驅(qū)動單機械臂實際物理模型如式(1)所示：

其中，N_l＝m₂gl+m₁gl，g為重力加速度，θ為連桿角度，i為電流，K_t為扭矩，K_b為反電動勢系數(shù),B_c為軸承粘滯摩擦系數(shù),D_c為負載系數(shù)，l為連桿長度，m₁為負載質(zhì)量，m₂為連桿質(zhì)量，R_r為電阻，u為電機控制電壓，Ξ為執(zhí)行器轉(zhuǎn)動慣量，Γ為電抗；

第二步、構(gòu)建電機驅(qū)動單機械臂系統(tǒng)的離散狀態(tài)空間方程：