[發明專利]基于有限時間輸出狀態受限的多關節機械臂阻抗控制方法

有效

• 申請號: 202011180514.1
• 申請日: 2020-10-29
• 公開（公告）號: CN112276954B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 于金鵬;田新誠;李剛;劉加朋;趙恩亮;徐雨夢;馬玉梅
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 青島錦佳專利代理事務所(普通合伙) 37283
• 代理人: 朱玉建

本發明屬于機器人控制技術領域，具體公開了一種基于有限時間輸出狀態受限的多關節機械臂阻抗控制方法，該方法基于反步法原理，通過阻抗控制技術實現了對機械臂的力/位控制，本發明方法采用模糊自適應技術逼近多關節機械臂系統中的未知摩擦量和外部干擾量，通過引入障礙Lyapunov函數對多關節機械臂輸出控制信號進行了約束，同時保證機械臂運行過程中力/位始終約束于給定的有界區間中，利用有限時間控制使機械臂力/位跟蹤信號在有限時間內收斂，保證了機械臂力/位跟蹤誤差能在有限時間內收斂到原點的一個足夠小的領域內。本發明所提出的控制方法，能夠使得機械臂末端力/位軌跡快速有效地跟蹤期望軌跡。

技術領域

本發明屬于機器人控制技術領域，尤其涉及一種基于有限時間輸出狀態受限的多關節機械臂阻抗控制方法。

背景技術

近年來，多關節機械臂技術的應用愈發普及，其結構越發繁雜化、精密化。因此，為確保該技術的安全性和合規性，迫切需要更高精度的力/位控制方法。在這一領域，眾多學者做了大量研究工作，并給出大量控制方法，例如力/位混合控制方法、阻抗控制方法等。

其中，阻抗控制作為解決力/位控制問題的重要方法，該方法具有抗擾動能力強、計算量相對較少以及易于機械臂進行力控制等優點，受到廣泛關注。

應用于多關節機械臂的基于反步法設計的阻抗控制方法發展迅速，已經被運用到多機械臂系統的控制中，并取得了較好的力/位控制效果，但仍然存在不足之處，主要體現在：

(1)多關節機械臂是一個復雜的非線性系統；(2)機械臂的輸出力/位存在各種約束條件的限制，超出機械臂約束條件限制的范圍，會降低機械臂工作性能，影響產品質量，同時不僅會縮短其使用壽命，極易造成機械臂硬件損傷，甚至可能引發災難性后果，威脅操作人員的人身安全。上述問題的存在使得反步法的使用具有較大的局限性。

針對上述技術問題(1)，模糊邏輯系統對系統的某些函數必須是線性的問題提供了解決思路，其中，模糊邏輯系統通過近似理論逼近復雜非線性系統中的非線性函數，提高抗干擾性能和魯棒性。而針對上述技術問題(2)，即目前控制器設計中存在的輸出狀態可能超出許可范圍的問題，還沒有很好的解決思路，因而，無法保證系統的安全運行。

發明內容

本發明提出了一種基于有限時間輸出狀態受限的多關節機械臂阻抗控制方法，通過對輸出信號進行約束，在保證機械臂輸出力/位狀態被約束在有界區間中的前提下，確保系統的安全運行。本發明為了實現上述目的，采用如下技術方案：

基于有限時間輸出狀態受限的多關節機械臂阻抗控制方法，包括如下步驟：

a.建立多關節機械臂的動力學模型，如公式(1)所示：

其中，q∈R^n×1為多關節機械臂各關節角度，分別表示多關節機械臂各關節角度變化速度和加速度；D(q)為多關節機械臂慣性矩陣；為多關節機械臂離心力和科里奧利力矩陣；G(q)為多關節機械臂重力項向量；τ∈R^n×1為真實控制律；τ_f∈R^n×1為多關節機械臂各關節所受的摩擦力向量；τ_d∈R^n×1是多關節機械臂各關節所受的外部干擾項向量；J(q)∈R^n×n為多關節機械臂的雅可比矩陣；F_e∈R^n×1為環境對多關節機械臂末端施加的接觸力；R^n×1為n維實數集，R^n×n為n×n維實數集，n為多關節機械臂的關節數；

多關節機械臂在笛卡爾坐標系上的關系式，如公式(2)所示：

其中，x為多關節機械臂末端位置，為多關節機械臂關節角度轉化為笛卡爾坐標下機械臂末端位置的函數關系式；整理得到下面公式：