[發明專利]一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法

有效

• 申請號: 202011424609.3
• 申請日: 2020-12-07
• 公開（公告）號: CN112643670B
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 趙杰;李長樂;金宏哲
• 申請（專利權）人: 洛陽尚奇機器人科技有限公司
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J17/00
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司 51230
• 代理人: 張東明

1.一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法，其特征在于，該控制方法包括以下步驟：

步驟1：建立柔性關節機械臂動力學模型：

其中(1)表示負載側動力學模型，(2)表示電機側動力學模型，表示負載側角度、角速度和角加速度，表示電機側角度、角速度和角加速度，M(q)表示機械臂的慣性矩陣，表示由離心力和哥氏力組成的非線性項，G(q)表示機械臂的重力矩陣，J表示電機側轉動慣量，K_s表示關節剛度，λ表示關節減速比，τ_ext表示外部擾動力矩，τ_e和τ_m分別表示負載側和電機驅動力矩；

步驟2：滑模觀測器的設計：

其(3)中x₁,x₂表示系統的廣義狀態，τ表示系統的控制輸入，f(x₁,x₂,t)為系統的非線性動力學特性，包括系統內部動力學和外部擾動力矩；

假設系統的內部動力學模型結構和模型參數未知，將內部動力學模型與外部擾動力矩均視為未知擾動，可以采用如下所示的滑模擾動觀測器對f(x₁,x₂,t)進行估計：

其中(A,B,L0)均為增益系數,sigmoid(e_z)為飽和函數表示如下:

其中a0為控制參數，通過引入飽和函數可以有效抑制滑模觀測器的振顫問題；

步驟3：將滑模觀測器應用到柔性關節機械臂系統：

令和分別為負載側和電機側軌跡命令，和為對應的軌跡跟蹤誤差,則柔性關節機械臂誤差動力學模型可以整理為：

以負載側為例，令x_1q＝e_q,表示系統擾動，則(6)可以整理為：

對比(3)和(8)，可針對負載側設計如下滑模擾動觀測器：

同理可得，電機側滑模擾動觀測器可設計如下：

步驟4：設計柔性關節機械臂控制律：

將柔性關節機械臂的關節模型區分為電機側和負載側，采用分層級聯控制策略，在負載側引入虛擬控制器與電機側控制器一起，在機械臂的各個關節，構成一種分布式級聯控制架構，其中負載側虛擬控制器結合用戶軌跡命令和系統狀態信息，計算出關節負載側實際需要的控制力矩，并通過如下的彈性動力學映射公式將負載側控制力矩映射為電機側控制命令：

再由電機側控制器結合電機側軌跡命令和電機側狀態信息輸出電機側控制力矩，從而驅動關節跟蹤給定軌跡；

負載側和電機側的控制律結構如下：

其式(12)中(K_pq,K_dq)為負載側控制器的位置和速度增益，式(13)中(K_pθ,K_dθ)為電機側控制器的位置和速度增益，和為負載側和電機側的系統擾動，分別由式(9)和(10)所示的滑模觀測器進行估計；

步驟5：更新機械臂控制輸出：

通過機械臂關節內置的負載側和電機側角度編碼器，采集機械臂在運動過程中的實時角度參數，并且通過一階微分處理獲得機械臂關節運動的角速度信息；通過外部標定或參數辨識獲得機械臂的各關節彈性參數；最終，結合狀態反饋信息和關節彈性參數，計算出機械臂各關節的控制輸入并用于及機械臂控制。