[發明專利]一種柔性關節機械臂的自適應反演控制方法

有效

• 申請號: 202110505741.5
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113183154B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 南余榮;趙士超;陳強
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 胡紅娟

本發明公開了一種柔性關節機械臂的自適應反演控制方法，包括如下步驟：建立柔性關節機械臂系統模型，初始化系統狀態及控制參數；設計濾波變量，濾波變量結合系統模型設計未知動態觀測器；未知動態觀測器在有限時間內能收斂到平衡點領域附近；設計跟蹤誤差及虛擬控制律，根據跟蹤誤差及虛擬控制律設計反演控制器及跟蹤微分器；在虛擬控制律和反演控制器的作用下，柔性關節機械臂系統可達到一致最終有界且跟蹤誤差能被約束在邊界內。本發明提供的柔性關節機械臂的自適應反演控制方法，利用系統觀測器及跟蹤微分器，實現了柔性關節機械臂在受到擾動的情況下快速恢復穩定軌跡跟蹤，減弱了擾動對機械臂軌跡造成的影響。

技術領域

本發明涉及柔性關節機械臂的控制方法，特別涉及一種柔性關節機械臂的自適應反演控制方法。

背景技術

柔性關節機械臂具有質量輕、靈活度高、能耗低等諸多優點，因此在航天領域、醫療領域、工業生產中都具有廣泛的應用前景。但是，由于機械臂存在非線性強耦合特點，在其在關節處使用諧波齒輪，會使得機械臂數學模型參數不確定，未建模動態不確定性和未知擾動的不確定性，從而影響跟蹤軌跡的精度。因此，如何使機械臂能以更高的精度進行軌跡跟蹤的問題亟待解決。

現有的實現機械臂快速跟蹤的方法如公開號為CN110877333A的中國專利申請公開的一種柔性關節機械臂控制方法，包括如下步驟：1、建立柔性關節機械臂系統動力學模型；2、將柔性關節機械臂期望的關節和電機的位移、角速度作為基于模糊神經網絡逼近器的自適應反演控制器的參考輸入，將電動機提供轉矩的外部輸入作為自適應反演控制器的實際輸入，如果自適應反演控制器的實際輸出值和預設的期望值產生跟蹤誤差，該跟蹤誤差通過自適應反演控制器的迭代計算趨近于零。

由于公開號為CN109884890A的中國專利申請公開的一種電驅動機械臂伺服系統的時變約束反演控制方法，包括如下步驟：(1)建立機械臂伺服系統模型，通過初始化系統狀態及控制參數得到機械臂伺服系統的狀態空間模型；(2)設計誤差向量和改進的邊界李雅普諾夫函數，并根據改進的邊界李雅普諾夫函數設計反演控制器；所述改進的邊界李雅普諾夫函數在系統誤差變大并接近邊界時，會導致控制信號增大，增強控制效果，并使誤差減小，最終保持在邊界允許的范圍內；所述改進的邊界李雅普諾夫函數引入了自然常數e；所述誤差向量包括關節位置向量誤差和關節速度向量誤差。

上述專利申請提供的機械臂控制方法僅針對已經出現的干擾進行計算，以減小超調量，快速實現跟蹤；但是對于系統外部擾動以及模型參數不確定導致的系統干擾無法進行估計。

發明內容

為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種柔性關節機械臂的自適應反演控制方法，實現柔性關節機械臂在受到擾動的情況下快速恢復穩定軌跡跟蹤，減弱了擾動對機械臂軌跡造成的影響。

一種柔性關節機械臂的自適應反演控制方法，包括如下步驟：

S100建立柔性關節機械臂系統模型，初始化系統狀態及控制參數；

S200設計濾波變量，所述濾波變量結合系統模型設計未知動態觀測器；所述未知動態觀測器在有限時間內能收斂到平衡點領域附近；

S300設計跟蹤誤差及虛擬控制律，跟蹤誤差及虛擬控制律設計反演控制器及跟蹤微分器；在虛擬控制律和反演控制器的作用下，柔性關節機械臂系統能夠達到一致最終有界且跟蹤誤差能被約束在邊界內。

所述步驟S100中柔性關節機械臂系統模型表示為如下形式：

其中，M，g，L分別為機械臂質量、重力加速度和機械臂長度，q和θ分別為機械臂連桿角度和電機角度，和分別為機械臂連桿角加速度和電機角加速度；I和J分別為連桿慣量和電機慣量，K為彈性系數，u為控制力矩，d₁和d₂為有界干擾信號和模型不確定部分，表示為：