[發(fā)明專利]一種機械臂輸入飽和固定時間軌跡跟蹤控制方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010345703.3
• 申請日: 2020-04-27
• 公開（公告）號: CN111496792B
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫亮;曹勝杰
• 申請（專利權(quán)）人: 北京科技大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京市廣友專利事務(wù)所有限責(zé)任公司 11237
• 代理人: 張仲波

本發(fā)明提供一種機械臂輸入飽和固定時間軌跡跟蹤控制方法及系統(tǒng)，該方法包括：獲取機械臂的期望軌跡，并通過機械臂傳感器獲取機械臂的狀態(tài)數(shù)據(jù)；根據(jù)獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用強化學(xué)習(xí)控制算法抑制機械臂的模型不確定性；設(shè)計非線性抗飽和補償器實時補償關(guān)節(jié)力矩執(zhí)行機構(gòu)的飽和溢出效應(yīng)；設(shè)計非奇異快速終端滑模控制器，使得機械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤誤差在固定時間內(nèi)收斂到原點小鄰域，實現(xiàn)對機械臂輸入飽和固定時間期望軌跡跟蹤控制。本發(fā)明方法具有對模型不確定性的在線學(xué)習(xí)能力，使得機械臂可以準(zhǔn)確且快速地跟蹤軌跡。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及機械臂軌跡跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于強化學(xué)習(xí)的機械臂輸入飽和固定時間軌跡跟蹤控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

機械臂在軍事、制造業(yè)、醫(yī)療環(huán)境等危險環(huán)境領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，機械臂的軌跡跟蹤控制技術(shù)一直是研究的熱門方向之一，機械臂按照提前設(shè)定的關(guān)節(jié)軌跡進行運動是實現(xiàn)這些復(fù)雜任務(wù)的關(guān)鍵；然而，由于動力學(xué)模型不確定性，耦合效應(yīng)以及外部未知干擾問題，使得機械臂準(zhǔn)確且快速地跟蹤軌跡十分困難。

近年來出現(xiàn)了許多軌跡跟蹤控制方法，包括PID控制、自適應(yīng)控制、非線性控制等。但是，現(xiàn)有的這些軌跡跟蹤控制方法并不能克服動力學(xué)模型不確定性，耦合效應(yīng)以及外部未知干擾因素所導(dǎo)致的機械臂軌跡跟蹤控制不夠準(zhǔn)確、快速的問題；因此，迫切需要探索一種有效的機械臂軌跡跟蹤控制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種機械臂輸入飽和固定時間軌跡跟蹤控制方法及系統(tǒng)，以至少部分解決現(xiàn)有的軌跡跟蹤控制方法所存在的上述問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種機械臂輸入飽和固定時間軌跡跟蹤控制方法，所述方法包括：

獲取機械臂的期望軌跡，并通過機械臂傳感器獲取機械臂的狀態(tài)數(shù)據(jù)；

根據(jù)獲取的狀態(tài)數(shù)據(jù)，采用強化學(xué)習(xí)控制算法抑制機械臂的模型不確定性；

設(shè)計非線性抗飽和補償器實時補償關(guān)節(jié)力矩執(zhí)行機構(gòu)的飽和溢出效應(yīng)；

設(shè)計非奇異快速終端滑模控制器，使得機械臂關(guān)節(jié)軌跡跟蹤誤差在固定時間內(nèi)收斂到原點小鄰域，實現(xiàn)對機械臂輸入飽和固定時間期望軌跡跟蹤控制。

進一步地，所述狀態(tài)數(shù)據(jù)包括機械臂關(guān)節(jié)的位置和機械臂關(guān)節(jié)的速度。

進一步地，所述采用強化學(xué)習(xí)控制算法抑制機械臂的模型不確定性，包括：

基于機械臂的動力學(xué)模型，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行最優(yōu)權(quán)值的估計，設(shè)計Actor神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成強化學(xué)習(xí)控制策略；設(shè)計Critic神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于評估執(zhí)行成本，并通過一個評估指標(biāo)以確定在線學(xué)習(xí)情況是好于預(yù)期還是差于預(yù)期。

進一步地，所述機械臂的動力學(xué)模型建立如下：

式中，以及表示廣義機械臂關(guān)節(jié)位置坐標(biāo)、速度以及加速度；是慣性矩陣，式中名義慣性矩陣M₀(q)是對稱正定的，M_Δ(q)表示未知部分，表示離心科氏力項，表示重力項，表示未知且有界的外部干擾，表示關(guān)節(jié)控制輸入力矩；

動力學(xué)模型公式(1)表示為：

式中，是由外部擾動和參數(shù)不確定性組成的機械系統(tǒng)的復(fù)合擾動；

分別定義x₁(t)＝q(t)、將式(2)改寫為：

考慮到關(guān)節(jié)力矩飽和問題，控制輸入力矩τ(t)表示為：