一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法。该方法应用离散时延估计技术估算机械手闭环控制系统的集总动态，而后用于闭环控制系统的动态补偿，使得控制器用于调节系统期望响应动态部分所需控制增益被大幅降低，有效地提高了系统的鲁棒性。离散时延估计技术不依赖于系统动力学模型，易于实际应用。同时相对于传统连续性时延估计技术，离散时延估计技术无需系统状态的加速度信息，从原理上有效抑制了传统连续性时延估计技术对噪声的放大作用，继而更加有利于实际应用。另外，本发明专利技术所公开的控制方法无需期望信号和系统状态信息预测的预测值，更加易于工程应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人系统的动力学、运动学和控制研究领域，主要针对一类机械手的轨迹跟踪控制方法，面向机器人系统实时控制的应用需求。
技术介绍
机械手是现阶段提高生产自动化程度、实施智能制造战略的重要一环，同时其也被广泛的应用于生产、科研、服务等各行各业。而考虑多自由机械手动力学特征的复杂性和作业工况的不确定性，如何提高不同工作环境下机械手的控制精度一直是科研技术人员关注的焦点问题。为此，国内外学者提出了多种解决方案。Bin Yao等人[Amit Mohanty,Bin Yao.Indirect Adaptive Robust Control of Hydraulic Manipulators with Accurate Parameter Estimation[J],IEEE Transaction on Control Systems Technology.2011,19(3):567-575]采用参数在线估计的思想，将ARC技术应用于机械手的轨迹跟踪控制中，取得了良好的控制效果。Qinglei Hu等人[Qinglei Hu,Liang Xu,Aihua Zhang.Adaptive backstepping trajectory tracking control of robot manipulator[J],Journal of the Franklin Institute.2012,349(3):1087-1105]采用一种自适应backstepping控制方法，实现了较好的仿真控制效果。Mohammad Reza Faieghi等人[Mohammad Reza Faieghi,Hadi Delavari,Dumitru Baleanu.A novel adaptive controller for two-degree of freedom polar robot with unknown perturbations[J],Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation.2012,17(2):1021-1030]针对工业机械手存在外干扰和不确定性的问题，提出了一种新型的自适应控制算法，并通过仿真验证了所提算法的有效性。不过，以上算法大多需要知道系统动力学模型且形式较为复杂，不利于工程应用。为此，Yaoyao Wang等人[Yaoyao Wang,Linyi Gu,Yihong Xu,Xiaoxu Cao.Practical tracking control of robot manipulators with continuous fractional-order nonsingular terminal sliding mode[J],IEEE Transactions on Industrial Electronics,in press,DOI:10.1109/TIE.2016.2569454]将连续性时延估计技术应用于机械手控制当中，并通过仿真和试验验证了所提算法的有效性，取得了较好的效果。但是该文献应用的是连续性时延估计技术，需要用到系统的加速度信息。而一般机械手只会配备角度传感器，因此加速度信息只能通过对位置信息二次微分的形式获得。然而，这样操作会极大的放大测量噪声的影响，限制了系统控制品质的提升，并且可能对执行器造成不利影响。为此，R.P.Kumar等人[R.P.Kumar,C.S.Kumar,D.Sen,A.Dasgupta.Discrete time delay control of an autonomous underwater vehicle:Theory and experimental results[J],Ocean Engineering,2009,36(1):74-81]提出了一种基于离散时延估计技术的水下运载器轨迹跟踪控制方法，并通过理论分析和水池试验验证了所提方法的有效性。不过该文献中给出的控制方法需要用到系统状态信息和期望轨迹的预测值，不利于工程实际应用。为进一步提升现有控制方法的工程实用性，保证系统在不同工况下的控制品质，亟需解决以上所述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有机械手轨迹跟踪控制方法的局限性，提供一种更加实用且控制效果满足工程实际应用的控制方法。为解决上述问题，本专利技术提出一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法，采用技术方案如下：一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法，用以控制n自由度串联机械手，其中n为大于1的整数，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立n自由度机械手动力学方程： M ( q ) q ·· + C ( q , q · ) q · + G ( q ) + F r ( q , q · ) + τ d = τ ]]>其中是惯性矩阵，向心力和哥氏力矢量，是重力矢量，是机械手各驱动关节摩擦力矢量，为集总外干扰矢量，，为各关节执行器广义输出向量，单位为N/N·m；(2)执行器输出力矩与输入控制信号直接关系为 τ = k v χ ( u ) , χ ( u ) = u - Δ 1 , u > Δ 1 0 , 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法，用以控制n自由度串联机械手，其中n为大于1的整数，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立n自由度机械手动力学方程：M(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)+Fr(q,q·)+τd=τ]]>其中是惯性矩阵，向心力和哥氏力矢量，是重力矢量，是机械手各驱动关节摩擦力矢量，为集总外干扰矢量，，为各关节执行器广义输出向量，单位为N/N·m；(2)执行器输出力矩与输入控制信号直接关系为τ=kvχ(u),χ(u)=u-Δ1,u>Δ10,Δ2≤u≤Δ1u-Δ2,u<Δ2]]>其中u是控制信号输入，对于机械手来说u为关节驱动电机的控制电压或电流，且上式对于电压控制和电流控制均适用，kv是增益系数对角矩阵，Δ1,Δ2是执行器死区，单位与输入控制信号u保持一致；将上式中执行器输出力矩与输入控制信号直接关系重新写为如下形式其中代表所有不含控制信号的项，其具体表达式为(3)将步骤(1)中所给机械手动力学方程重新书写如下u=Mkq··+H]]>其中(4)为了应用离散时延估计技术，将上述形式的动力学方程离散化，得到Tu(k)=Mk(q·(k+1)-q·(k))+∫kT(k+1)TH(t)dt=Mkq·(k+1)+H‾(k)]]>其中T为系统状态量的采样周期，(5)由步骤(4)可得新形式下的机械手动力学方程如下Tu(k)=M‾q·(k+1)+H1(k)]]>其中是待设计的控制参数，其值选取过程是从一个较小值逐步增大直到控制效果较为满意，且如果继续增大控制效果反而下滑时即可；(6)定义轨迹跟踪误差及其导数为则设计的基于离散时延估计技术的控制算法如下：u(k)=T-1[M‾μ(k)+H^1(k)]]]>μ(k)=q·d(k)+KDq~·(k)+KPq~(k)]]>其中KD,KP是待定控制参数，是H1(k)的估算值，其具体估算法方法如下，(7)采用离散时延估计技术估算H1(k)以得到H^1(k)=H1(k-η)=Tu(k-η)-M‾q·(k+1-η)]]>其中η是时延量；这里取η＝1；(8)结合步骤(6)和步骤(7)所得结果，得到基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法：u(k)=T-1[M‾(q·d(k)+KDq~·(k)+KPq~(k))+Tu(k-1)-M‾q·(k)]=M→[(KD+1)q~·(k)+KPq~(k)]+u(k-1)]]>其中为等效控制参数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于离散时延估计的机械手轨迹跟踪控制方法，用以控制n自由度串联机械手，其中n为大于1的整数，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立n自由度机械手动力学方程： M ( q ) q ·· + C ( q , q · ) q · + G ( q ) + F r ( q , q · ) + τ d = τ ]]>其中是惯性矩阵，向心力和哥氏力矢量，是重力矢量，是机械手各驱动关节摩擦力矢量，为集总外干扰矢量，，为各关节执行器广义输出向量，单位为N/N·m；(2)执行器输出力矩与输入控制信号直接关系为 τ = k v χ ( u ) , χ ( u ) = u - Δ 1 , u > Δ 1 0 , Δ 2 ≤ u ≤ Δ 1 u - Δ 2 , u < Δ 2 ]]>其中u是控制信号输入，对于机械手来说u为关节驱动电机的控制电压或电流，且上式对于电压控制和电流控制均适用，kv是增益系数对角矩阵，Δ1,Δ2是执行器死区，单位与输入控制信号u保持一致；将上式中执行器输出力矩与输入控制信号直接关系重新写为如下形式其中代表所有不含控制信号的项，其具体表达式为(3)将步骤(1)中所给机械手动力学方程重新书写如下 u = M k q ·· + H ]]>其中(4)为了应用离散时延估计技术，将上述形式的动力学方程离散化，得到 T u ( k ) = M k ( q · ( k + 1 ) - q · ( k ) ) + ∫ k T ( k + 1 ) T H ( t ) d t = M k q · ( k + 1 ) + H ‾ ( k ) ]]>其中T为系统状态量的采样周期，(5)由步骤(4)可得新形式下的机械手动力学方程如下 T u ( k ) = M ‾ q · ( k + 1 ) + H 1 ( k ) ]]>其中是待设计的控制参数，其值选取过程是从一个较小值逐步增大直到控制效果较为满意，且如果继续增大控制效果反而下滑时即可；(6)定义轨迹跟踪误差及其导数为则设计的基于离散时延估计技术的控制算法如下： u ( k ) = T - 1 [ M ‾ μ ( k ) + H ^ 1 ( k ) ] ]]> μ ( k ) = q · d ( k ) + K D q ~ · ( k ) + K P q ~ ( k ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王尧尧，陈柏，吴洪涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32