[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

本發明公開了一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法，包括步驟1：建立柔性關節機械臂動力學模型，步驟2：滑模觀測器的設計，步驟3：將滑模觀測器應用到柔性關節機械臂系統，步驟4：設計柔性關節機械臂控制律，步驟5：更新機械臂控制輸出；本發明設計的滑模觀測器對系統動力學特性和外部擾動進行估計，可以在不依賴系統內部模型結構和相關參數的情況下準確估計系統擾動，在滑模觀測器中引入了飽和函數，可以有效抑制傳統基于符號函數滑模觀測器的震顫現象。

技術領域

本發明涉及機器人控制領域，尤其涉及一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法。

背景技術

隨著新一代協作型機械臂技術的發展，傳統工業機械臂正向著關節輕量化和高負載自重比方向發展；在機械臂關節輕量化的過程中，關節剛度相對下降，關節的柔性越來越明顯，但是關節柔性的存在將會影響控制系統的控制精度，提高了控制難度，因而柔性關節機械臂系統存在系統非線性強、建模困難、易受外界擾動的特性；其中，目前以高增益擾動觀測器為代表的一類傳統擾動觀測器一般利用系統的已知模型信息來估計未知的外部擾動及未建模動態，存在模型依賴度較高的問題；而傳統基于神經網絡的智能控制器，雖然具有很強的非線性系統逼近能力，但是其拓撲結構相對復雜，需要較高的計算能力和處理速度，并不能很好的適用于復雜的實時系統。

為了解決這些問題，有必要提出一種對系統模型依賴小，且具有較強魯棒性和抗干擾性能的柔性關節機械臂控制方法。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法，旨在解決現有技術中柔性關節機械臂系統非線性強、建模困難、易受外界擾動的問題。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于滑模觀測器的柔性關節控制方法，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，L＞0)均為增益系數，sigmoid(e_z)為飽和函數表示如下：

其中a＞0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：