[發明專利]針對時變時延下柔性主-從機器人系統的全狀態控制方法

有效

• 申請號: 202010033899.2
• 申請日: 2020-01-13
• 公開（公告）號: CN111136633B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 楊亞娜;甘露;陳奕行;李軍鵬;華長春
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: B25J3/00
• 分類號: B25J3/00;B25J9/16
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 劉翠芹

本發明公開了一種針對時變時延下柔性主?從機器人系統的全狀態控制方法，在主機器人和從機器人通過網絡組成的遙操作系統中，針對主機器人和從機器人分別設計基于位置誤差和速度的比例阻尼控制器和基于反步遞推技術的全狀態反饋控制器；設計高維一致精確差分器實現對虛擬控制器的精確差分；構造李雅普諾夫(Lyapunov)方程，建立系統時滯相關穩定準則，給出控制器參數選取標準，實現柔性主?從機器人系統在時變時延下的全局穩定。針對柔性主?從機器人系統，采用基于反步遞推技術以及高維一致精確差分器的全狀態反饋控制器，實現了控制系統在全局范圍內的位置精確追蹤，保證了系統的全局漸近收斂，提高了系統的魯棒性。

技術領域

本發明涉及柔性主-從機器人系統控制領域，尤其涉及一種針對時變時延下柔性主-從機器人系統的全狀態控制方法。

背景技術

柔性主-從機器人系統是針對機器人系統中機械臂關節靈活度的研究，是一個非常復雜且具有高度非線性、強耦合性以及時變時延的動力學系統。在完成一些復雜且高難度的工作中，與剛性關節相比，柔性關節具有體積小、靈活度高、負載自重比高、能耗低以及工作空間更為寬泛等優點。通常遙操作系統就是一種柔性主-從機器人系統，而遙操作系統是一種完成比較復雜操作的遠距離操作系統。它主要由操作者、主機器人系統、網絡信息傳輸通道、從機器人系統和外界工作環境組成。其工作流程大致可描述為：人類操作者發出控制指令到主機器人，主機器人將控制指令經由網絡信息傳輸通道環節傳遞給從機器人，然后從機器人根據指令作用于外界環境，且將獲取到的相關信息及時反饋回操作者，構成一個閉環系統，從而有效地完成操作任務。對于從機器人系統，通常使用柔性關節的n自由度機器人來執行主端下達的命令。

隨著科技的發展進步，人類的探索領域不斷拓展，結合柔性關節自身體積小、靈活度高的特點，人們更加廣泛地使用柔性主-從機器人系統。但柔性關節會存在振動形態，可能影響到控制的精度與系統的穩定。因此，設計的控制方法不僅能使機器人完成工作目標，同時也要消除柔性關節的振動，保證系統的穩定性。

針對柔性主-從機器人系統，采用基于反步遞推技術的全狀態反饋控制方法，即利用時延下的主-從機器人之間的位置誤差進行全局跟蹤性能的分析，實現了系統在全局范圍內的位置精確追蹤，提高了系統的魯棒性，高維一致精確差分器的設計實現了對虛擬控制器的精確差分，提高了系統的收斂性。

發明內容

本發明的目的在于針對柔性主-從機器人系統中存在的位置追蹤與穩定性問題，提供了一種針對時變時延下柔性主-從機器人系統的全狀態控制方法，為實現上述目的，采用了以下技術方案：

一種針對時變時延下柔性主-從機器人系統的全狀態控制方法，包括以下步驟：

步驟1：連接主機器人和從機器人，通過網絡組成遙操作系統；

步驟2：測量主機器人和從機器人的各項系統參數，其中，關節和電機位置、速度信息實時進行測量；

步驟3:分別設計第一虛擬控制器和第二虛擬控制器，其中

第一虛擬控制器為：

第二虛擬控制器為：

其中，下標m表示主機器人，下標s表示從機器人，均為虛擬控制器，為虛擬控制器的一階導數，T_m(t),T_s(t)分別為主機器人到從機器人的正向時延和從機器人到主機器人的反饋時延，α_s為正常數的阻尼系數，k_m,k_s為大于零的比例系數，分別為包含從機器人關節剛度的常數對角正定矩陣S_s的逆矩陣和轉置矩陣，k₁選取為正常數；

步驟4：分別設計高維一致精確差分器對第一虛擬控制器和第二虛擬控制器進行精確差分；

步驟41：