[發明專利]一種考慮變剛度關節延遲特性的機械臂控制變換方法

有效

• 申請號: 202010574622.0
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN112454349B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 胡勇;魏春嶺;劉磊;張海博;徐拴鋒
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

1.一種考慮變剛度關節延遲特性的機械臂控制變換方法，其特征在于通過下述方式實現：

(1)考慮機械臂安裝變剛度關節的時延特性，建立n自由度機械臂動力學模型；

(2)將所述動力學模型中的時延縮小為原來的建立新的動力學模型；所述的m＞1；

(3)設計使新動力學模型閉環穩定的小時延控制律；

(4)以所述的小時延控制律為基礎，考慮步驟(1)、(2)中兩個動力學模型的縮放關系，進行縮放變換，設計使步驟(1)閉環穩定的控制律，利用該控制律實現機械臂的控制；

假設步驟(3)設計的小時延控制律為：

則步驟(4)中設計的控制律為：

式中，u為n維力矩向量，對應n自由度機械臂的關節力矩，k為l維剛度向量，對應n自由度機械臂l個剛度可調關節的剛度輸入，u₀()和k₀()分別指現有的力矩和剛度的控制函數，q和對應n自由度機械臂的關節角度向量和關節角速度向量，G(q)是拉格朗日方程中的重力梯度向量，δq為l個剛度可調關節的形變角度；t為時間，B為n×n矩陣描述了關節力矩對廣義坐標的作用效果。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于：在步驟(2)之前首先分析機械臂的時延特性，若時延大于機械臂控制周期，則從步驟(2)開始執行；否則，直接設計使步驟(1)動力學模型閉環穩定的小時延控制律，利用該控制律對機械臂進行控制。

3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步驟(1)中的動力學模型如下：

式中，q為結構空間的一個廣義坐標向量，維數為n；D(q)為慣性矩陣；是科里奧利矩陣，G(q)是重力勢能場的梯度向量，B為n×n矩陣描述了關節力矩對廣義坐標的作用效果，E(δq)為n×l矩陣，將剛度可變關節的關節形變作用映射到廣義坐標上，l為剛度可調關節數，滿足l≤n，假設n自由度機械臂第i個關節剛度不可調，則E(δq)第i行為全零行，假設n自由度機械臂第i個關節剛度可調，且對應的是l個剛度可調關節中的第j個，則E(δq)第i行j列的元素為δq_j，第i行其余元素為0；u(t)代表n維力矩向量，k(t)為l個剛度可調關節的剛度輸入，T＝[T₁,T₂,…T_l]^T分別對應l個可調節剛度關節的剛度調節時延，有k(t-T)＝[k₁(t-T₁) k₂(t-T₂)…k_l(t-T_l)]^T。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于：所述步驟(2)中的新動力學模型如下：

5.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的m根據實際的時延T＝[T₁,T₂,…T_l]^T選取，需要保證建立的新的動力學模型的時延小于機械臂上位機規劃控制器一個控制周期的時長ΔT，其中l為機械臂中可調節剛度關節的數量。

6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于：m取值范圍優選其中，T_max是時延T＝[T₁,T₂,…T_l]^T中的最大分量。