[發(fā)明專利]一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械臂自適應(yīng)阻抗控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010771033.1
• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111993417B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 戚毅凡;賈英宏;徐拴鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京航智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11668
• 代理人: 黃川;史繼穎

1.一種基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)械臂自適應(yīng)阻抗控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：建立機(jī)械臂的D-H參數(shù)，并推導(dǎo)機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)；

S2：利用kane方法建立機(jī)械臂系統(tǒng)的名義動力學(xué)模型，得到機(jī)械臂與環(huán)境接觸時的名義動力學(xué)方程：

其中，τ為機(jī)械臂收到的驅(qū)動關(guān)節(jié)的控制力矩；M_c(q)為機(jī)械臂的慣性矩陣，并且為正定對稱矩陣；為離心力和哥氏力矢量；g_c(q)為重力矢量；q為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角矩陣；為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角速度矩陣；為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角加速度矩陣；J^T(q)為雅克比矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣；F_e為機(jī)械臂末端與環(huán)境的接觸力；

S3：根據(jù)步驟S2中建立的機(jī)械臂系統(tǒng)的名義動力學(xué)模型，結(jié)合二階阻抗方程設(shè)計(jì)阻抗控制器；

二階阻抗方程式為

其中，M、B、K為阻抗參數(shù)；x_d為機(jī)械臂末端的期望位置；x為機(jī)械臂末端位置；為機(jī)械臂末端的期望加速度；為機(jī)械臂末端加速度；為機(jī)械臂末端的期望速度；為機(jī)械臂末端速度；

利用逆動力學(xué)求得機(jī)械臂的操作律為：

其中，τ_c為控制器輸出的機(jī)械臂控制力矩,

將機(jī)械臂與環(huán)境接觸時的名義運(yùn)動學(xué)方程式(4)左右兩邊同時求二階導(dǎo)求得關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角加速度矩陣

其中，J^-1(q)為雅克比矩陣的逆矩陣；為雅克比矩陣的變化率，

將關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角加速度矩陣代入逆動力學(xué)得到阻抗控制律：

S4：設(shè)定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)，設(shè)計(jì)動力學(xué)模型誤差補(bǔ)償控制器；

S5：將步驟S3中設(shè)計(jì)的阻抗控制器與步驟S4中建立的動力學(xué)模型誤差補(bǔ)償控制器結(jié)合，并根據(jù)李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣的變化率，構(gòu)成自適應(yīng)阻抗控制器，并證明所構(gòu)成的自適應(yīng)阻抗控制器的穩(wěn)定性；

S6：根據(jù)步驟S5中所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)阻抗控制器，判斷機(jī)械臂柔順控制的效果，在相同的控制器參數(shù)的條件下設(shè)置期望接觸力為0，以接觸力大小為指標(biāo)，機(jī)械臂接觸力越小則柔順控制效果越好。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1具體過程為：

假定機(jī)械臂的自由度為n，即把機(jī)械臂看作由n個連桿，n-1個關(guān)節(jié)連接組成，關(guān)節(jié)1為第1根連桿和第2根連桿的連接關(guān)節(jié)，首先根據(jù)如下步驟建立機(jī)械臂的D-H坐標(biāo)系：

1)建立基座坐標(biāo)系：以基座上感興趣的位置為原點(diǎn)、關(guān)節(jié)1的運(yùn)動軸正方向?yàn)閦₀軸，按右手定則建立右手正交坐標(biāo)系(x₀,y₀,z₀)，其中，x₀軸和y₀軸與z₀軸垂直，方向任選；

2)建立連桿i坐標(biāo)系的z_i軸：以連桿i與連桿i-1連接關(guān)節(jié)的運(yùn)動軸正向?yàn)閦_i軸；

3)建立連桿i坐標(biāo)系的原點(diǎn)O_i：若z_i軸和連桿i-1坐標(biāo)系的z_i-1軸相交，則以兩軸交點(diǎn)為原點(diǎn)O_i；若z_i軸和z_i-1軸異面或平行，則以兩軸的公垂線與z_i軸的交點(diǎn)為原點(diǎn)O_i；

4)建立連桿i坐標(biāo)系的x_i軸：按x_i＝±(z_i-1×z_i)/||z_i-1×z_i||建立x_i軸，即，使x_i軸與z_i-1軸及z_i軸同時垂直；若z_i-1軸與z_i軸平行，則以它們的公垂線為x_i軸；

5)建立連桿i坐標(biāo)系的y_i軸：根據(jù)已建立的x_i軸和z_i軸，按右手定則建立y_i軸，即令y_i＝(z_i×x_i)/||z_i×x_i||；

6)建立機(jī)械臂末端坐標(biāo)系(x_n,y_n,z_n)：z_n軸與連桿n-1坐標(biāo)系的z_n-1軸平行，但指向機(jī)器人本體外方向；x_n軸與z_n-1軸及z_n軸同時垂直；y_n軸由右手定則確定，由此完成機(jī)械臂的D-H坐標(biāo)系的建立；

根據(jù)建立的連桿坐標(biāo)系，計(jì)算從一個關(guān)節(jié)到下一個相鄰關(guān)節(jié)的變換矩陣，變換通過旋轉(zhuǎn)-平移-旋轉(zhuǎn)-平移四個子變換得到：繞連桿i-1的x_i-1軸轉(zhuǎn)角度量α_i-1；沿x_i-1軸移動量a_i-1；繞連桿i的z_i軸轉(zhuǎn)動角度量θ_i；沿z_i軸移動量d_i；

第i-1根連桿相對于第i根連桿的位姿變換矩陣A_i定義如下：

^i-1T_i＝A_i＝Rot(x,α_i-1)Trans(x,a_i-1)Rot(z,θ_i)Trans(z,d_i) (1)

其中，^i-1T_i用來描述連桿末端在基座的位姿態(tài)，表示第i-1根連桿的連桿坐標(biāo)系相對于第i根連桿的連桿坐標(biāo)系的變換；Rot表示旋轉(zhuǎn)；Trans表示移動，

計(jì)算得到第i-1根連桿相對于第i根連桿的位姿變化矩陣A_i的通式為：

其中，C表示余弦三角函數(shù)；S表示正弦三角函數(shù)，

將各連桿相對于其前一根連桿的位姿變換矩陣相乘，得到機(jī)械臂總變換矩陣⁰T_n，即得到機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)：

⁰T_n＝⁰T₁¹T₂… ^n-1T_n＝A₁A₂… A_n (3)。