[發(fā)明專利]基于超橢球映射解析算法并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制方法

有效

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• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112428262B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 耿新宇;李萌;鄭威
• 申請（專利權(quán)）人: 中國空間技術(shù)研究院
• 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: 任林沖

本發(fā)明涉及基于超橢球映射解析算法并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制方法，包括并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)反饋控制偽指令與偽指令的解析分配；反饋控制偽指令通過PID控制實現(xiàn)；偽指令解析分配方法通過超橢球映射方法實現(xiàn)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制系統(tǒng)需要在線優(yōu)化的問題，反饋控制率由簡單矩陣運算組成，構(gòu)造簡單，易于實現(xiàn)，在線求解效率高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制領(lǐng)，特別涉及基于超橢球映射解析算法并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制方法。

背景技術(shù)

相較于傳統(tǒng)剛性機構(gòu)，以柔索張力作為驅(qū)動力的并聯(lián)機構(gòu)，具有慣性小、體積小、積累誤差小與工作空間大的特點，能夠最大限度地滿足裝備質(zhì)量輕、控制精度高與任務(wù)包絡(luò)大等需求，目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù)、工業(yè)機器人等領(lǐng)域。并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)是指控制柔索數(shù)量大于被控自由度數(shù)量的一類柔索驅(qū)動機構(gòu)，其需要通過控制分配環(huán)節(jié)將低維反饋控制指令轉(zhuǎn)化為高維的張力分配以實現(xiàn)位、姿控制。目前，并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)的控制分配算法也可大致分為兩類：

第1類，優(yōu)化法。該類方法能夠?qū)ふ业饺肿顑?yōu)解，但是極限計算消耗(最大迭代次數(shù))在機構(gòu)工作過程中不受控。第2類，幾何法。相比于優(yōu)化法，幾何法無法找到全局最優(yōu)解、最大迭代次數(shù)可控。該類方法的提出就是為了保證在線求解時最大迭代次數(shù)可控。但是，目前現(xiàn)有控制方法僅能保證最大在線迭代次數(shù)可控，無法消除在線迭代計算的環(huán)節(jié)，降低了反饋控制率求解效率。

目前針對并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)的控制器設(shè)計研究領(lǐng)域，目前研究熱點為各類控制律與控制分配優(yōu)化或幾何迭代算法的組合，例如通過自適應(yīng)魯棒控制與控制分配優(yōu)化法相結(jié)合、控制與控制分配幾何迭代方法相結(jié)合以及魯棒PID控制與控制分配幾何迭代方法相結(jié)合等。以上研究方法所基于的控制分配算法成熟，在線控制分配算法對于計算能力依賴較大，目前為并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)控制器設(shè)計的主流方法。另外，由于目前控制分配的解析算法研究仍然沒有完善成熟的方法，對于控制率的解析算法目前還處于嘗試階段，雖然能夠顯提高低控制響應(yīng)速度，降低控制系統(tǒng)復(fù)雜度，但是存在控制張力存在浪費問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出基于超橢球映射解析算法并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制方法，將PID反饋控制與超橢球映射解析分配算法相結(jié)合，解決現(xiàn)有并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)主動控制系統(tǒng)需要在線迭代所導(dǎo)致的控制率求解效率問題。

本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：

基于超橢球映射解析算法并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)伺服控制方法，該方法的步驟包括：

步驟(1)、確定并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)CDPR運動部件的質(zhì)量m、轉(zhuǎn)動慣量I_xx、I_yy與I_zz，定義狀態(tài)向量為x＝(p^T,Θ^T)^T，其中p＝(p_x,p_y,p_z)^T為CDPR運動部件質(zhì)心位移向量，為并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)運動部件姿態(tài)角向量，為滾動角、θ為俯仰角、ψ為偏航角；定義PID控制參數(shù)矩陣K_p、K_I與K_D，控制參數(shù)矩陣維度為6×6；

步驟(2)、通過傳感器提取與處理信息，獲得并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)運動部件狀態(tài)信息x，確定該時刻目標軌跡x_d，求解運動誤差e＝x_d-x；

步驟(3)、根據(jù)步驟(2)所獲得的運動部件狀態(tài)信息向量x，求解并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)的雅可比矩陣J，雅可比矩陣維度為6×m，m≥6為控制柔索數(shù)量；

步驟(4)、通過步驟(1)所獲得的m、I_xx、I_yy、I_zz與步驟(2)所獲得的并聯(lián)冗余柔索機構(gòu)狀態(tài)信息x、運動誤差e，求解伺服控制偽指令f，伺服控制偽指令的維度為6×1；