[發明專利]一種基于多機器人協同操作的自適應模糊力跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 202010571483.6
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111941421B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 李兵;李志森;黃海林;肖斐
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）（哈爾濱工業大學深圳科技創新研究院）
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 珠海市君佳知識產權代理事務所(普通合伙) 44644
• 代理人: 劉戰勝

1.一種基于多機器人協同操作的自適應模糊力跟蹤控制方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步：通過目標操作物的位置信息，根據閉鏈形成的位置約束分別求取每一機器人末端協調位置的約束方程，以得到每一機器人的末端期望位姿；

第二步：根據每一機器人進行逆運動學求解，求取執行每一機器人協調操作所需的各關節轉角控制指令，得到每一機器人自身當前各關節的期望角度；

第三步：建立導納控制模型，將每個機器人末端的力等效為輸入的位置、將每個機器人末端的力誤差等效為姿態增量，進行多機器人的力跟蹤控制；

第四步：在所建立的導納控制模型中引入學習率η，通過模糊控制器根據目標操作物的動態變化對η進行自適應調節，進行多機器人的力跟蹤控制；

第三步中建立導納控制模型將機器人與力傳感器構成的系統建模構建為“質量—阻尼—彈簧”二階系統，將環境建模構建為一階彈簧系統，并建立如下方程：

式中，m為機器人的理想慣量，b為機器人的理想阻尼，k為機器人的理想剛度；

式中，x為實際位置，x_d為期望位置；

式中，Δf＝f_e-f_d，其中，f_e為機器人末端與環境的接觸力，f_d為期望跟蹤力；

將機器人末端與環境的接觸力模型構建為彈簧模型，則機器人末端與環境的接觸力與機器人嵌入環境之中的距離滿足下述正比關系：

f_e＝k_e(x_e-x)

式中，k_e為環境剛度，x_e為環境位置，x為機器人末端的實際位置；

預先給定機器人末端的參考位置X_r，則：

機器人末端的實際位置為：

機器人末端的實際位置與期望位置的偏差為：

結合Δf＝f_e-f_d可得：

求取二次導數計算得到：

又因為進一步計算得到如下方程：

當多機器人系統趨于穩定時，期望跟蹤力f_d維持不變，上式簡化為：

k·k_e(x_e-x_r)＝k(Δf+f_d)+Δf·k_e＝(k_e+k)Δf+k·f_d

進而可以得到機器人在穩定時的穩態力誤差：

使此式代表了目標剛度與環境剛度之間的等效剛度；

求取f_ss為：

在多機器人系統穩定后，滿足期望力要求，此時力偏差△f_ss為零，得到：

設定初始的環境位置x_e代替參考位置X_r，結合公式

可知：f_e＝k_e(x_e-x)

進而得到基準公式：

式中，e＝x-x_e；

進一步設定表示環境的估計值，定義：

將代入基準公式中，并引入自適應項Δb(t)與Δk(t)，得到力跟蹤方程：

其中，Δb(t)與Δk(t)的表達式分別為：

式中，λ為控制器采樣周期，η為學習率，根據勞斯判據系統穩定時，滿足

第四步中模糊調整器的輸入為力跟蹤誤差Δf＝f_e-f_d和力跟蹤誤差的變化率dΔf＝(f_e-f_d)/λ，輸出為學習率η，其中模糊推理采用Mam-dani規則，學習率η調整原理為：

當力跟蹤誤差較大時，應加大η的值，以加快系統的響應速度；

當力跟蹤誤差與變換化率為中等大小時，為保證較小的超調量與一定的響應速度，應讓η維持在較小值；

當力跟蹤誤差較小時，需要根據變化率來決定輸出值，進而獲取更好的穩態性能；

當力誤差變化率較小時，η取中等值；

當力誤差變換速率較大時，η取較小值。

2.如權利要求1所述的基于多機器人協同操作的自適應模糊力跟蹤控制方法，其特征在于，第一步中多機器人所滿足的約束方程為：

其中，n≥3；

其中，為第n個機器人基坐標系相對于全局坐標系的位姿轉換矩陣；

其中，為第n個機器人末端坐標系相對于基坐標系的位姿轉換矩陣；

其中，^EnT_L為工件坐標系相對于第n個機器人末端坐標系的位姿轉換矩陣。