基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器及设计方法技术

本发明专利技术公开了基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器及设计方法，将N个含未知动态的双连杆机械臂视为跟随者，其与M个领导者通过单向拓扑图连接成的网络化系统作为被控对象，领导者构成一个静态凸包，利用跟随者各自的关节1和2输出的位置设计包含控制器，使得跟随者的输出收敛于该静态凸包内。与现有技术相比，本发明专利技术的有益效果在于：在每一个子控制器中都利用跟随者的输入和输出设计扩张状态观测器来重构双连杆机械臂的系统状态，并通过扩张状态量的估计实时补偿未知动态，使得设计的输出反馈的包含控制器具有抗扰性；克服了计算复杂性爆炸的问题；能够有效的处理系统中的未知动态、简化复杂的求导运算等问题。

Control and design method of multiple double link manipulator based on output position

The present invention discloses includes a controller and the design method of multi output position of two link manipulators based on N with unknown dynamic two link manipulator as a follower, and the M leaders through the network topology and connected into a one-way system as the object, the leader of a static convex hull, use the following the joint 1 and 2 output position design includes the controller, the output follower to the static convergence within the convex hull. Compared with the prior art, the invention has the advantages that: the state of the system in each sub controller using follower input and output design of extended state observer to reconstruct the two link manipulators, and by estimating the unknown dynamic real-time compensation of extended state, including the output feedback controller design with anti disturbance to overcome the computational complexity; explosion problem; unknown dynamic, simplified processing system can be effective in the derivation of complex problems.

【技术实现步骤摘要】
基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器及设计方法
本专利技术属于工业过程控制
，具体涉及基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器及设计方法。
技术介绍
近年来，多机械臂系统的协调控制是当今机器人领域的研究热点。与单个的机械臂系统相比,多机械臂系统具有更大的灵活性、更高的可靠性，能够完成更复杂的任务。而Kosuge、Ahmad等人提出的多机械臂系统的主/从控制协调方式是最早的控制方案，其也是目前应用于工业机械臂领域的最为简单有效的协调策略。该方法只需要协调系统中的某一机械臂指定为“领导者”，其余的跟踪领导者的相对位姿的机械臂称为“跟随者”群体。当存在多个机械臂充当领导角色来引导群体运动，实现被控群体进入领导者群体所形成的范围或由领导者包围被控群体的控制问题，称之为包含控制问题。在2008年，M.Ji等针对多机器人的包含控制问题提出的stop-and-go控制方法，其实现多机器人进入到由多个领导者构成的目标区域。进而在针对多双连杆机械臂协调控制网络中，把机械臂的关节1和2的角位移作为输出量，让多个领导者的输出量形成一个静态的凸包，其它双连杆机械臂的输出量根据领导者和跟随者传来的信息移动到领导者组成的静态凸包中。但在很多的实际生产中，由于无法获知准确的双连杆机械臂系统模型，且只能检测到部分系统的状态。因此，本专利技术利用自抗扰技术(ActiveDisturbanceRejectionControl,ADRC)和反演技术，使得对多双连杆机械臂输出反馈的包含控制的研究具有最直接的现实意义。在针对具有未知动态和部分系统状态不可获取的n阶仿射型系统控制中，赵志良等提出了一种将未知动态作为系统扩张状态的n+1阶非线性扩张状态观测器(Extendedstateobserver,ESO)，其是通过被控对象的输入和输出来估计出系统中的未知动态和重构系统状态。ESO最初是韩京清教授提出的，凭借其能够实时的估计被控对象中的各种未知不确定性因素组成的总扰动，并将系统补偿为积分串联器标称模型的形式来控制。随之，黄一等人对ESO收敛性和稳定性完善，以及杨晓霞等人讨论了能被ESO观测且存在有界观测误差的扰动的范围。郭宝珠等人在2011年针对一类含不确定性的非线性系统设计了ESO，并严格的证明了ESO的收敛性。在2002年，郭宝珠等人还提出一种简单的线性的跟踪微分器(Trackingdifferentiator,TD)，而TD同样最早是由韩京清教授在1989年提出的，并给出其收敛性的分析。TD使得在经典意义下不可微的函数却有其广义导数，这一特性被广泛的应用到对复杂非线性函数的求导中。在2014年，程春华等人利用TD得到反演设计中虚拟控制律的导数，从而克服了计算复杂性爆炸的问题。反演技术是Kanellakopoulos等人在1991年提出的，是针对每个子系统构造相应的Lyapunov函数,并设计虚拟控制律使前一子系统稳定，但无法避免对虚拟控制律求导困难的难题。Yoo等人研究了不确定非线性严格反馈系统在有向图拓扑下的包含控制策略，利用反演技术设计分布式自适应包含控制器来驱动跟随者进入领导者的凸包内。王巍在2015年针对不确定非线性多智能体系统利用反演技术设计了状态反馈的包含控制器，并通过一阶滤波器避免了虚拟控制律求导复杂的难题。在实际的应用中，对多双连杆机械臂的包含控制时，由于每个双连杆机械臂系统中存在着未知动态和部分系统状态是不可获取的，以及在利用反演设计中对虚拟控制律求导复杂的难题，所以对多双连杆机械臂输出反馈的包含控制研究具有重要的理论意义和现实意义。
技术实现思路
本专利技术根据现用
技术介绍
的不完善与不足，基于自抗扰和反演技术对多双连杆机械臂在有向通信网络下实现了输出反馈的包含控制，在每一个子控制器中都利用跟随者的输入和输出设计扩张状态观测器来重构双连杆机械臂的系统状态，并通过扩张状态量的估计实时补偿未知动态，使得设计的输出反馈的包含控制器具有抗扰性。进一步，借助跟踪微分器来估计子控制器中虚拟控制律的导数，从而克服了计算复杂性爆炸的问题。提出的基于自抗扰和反演技术的多双连杆机械臂的包含控制器仅依赖输出位置，能够有效的处理系统中的未知动态、简化复杂的求导运算等问题。为了实现以上的技术目的，本专利技术将采取以下技术方案：基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器，将N个含未知动态的双连杆机械臂视为跟随者，其与M个领导者通过单向拓扑图连接成的网络化系统作为被控对象，领导者构成一个静态凸包，利用跟随者各自的关节1和关节2输出的位置设计包含控制器，使得跟随者的输出收敛于该静态凸包内，所述的第i(1≤i≤N)个跟随者的控制器结构包括第1子控制器和第2子控制器，第1和2子控制器的输入端均与有向图的输出端相连，2个子控制器的输出端均与第i个跟随者的输入端连接，第1子控制器包括第一扩张状态观测器单元、误差面si,1,1运算单元、第一非线性运算单元、第一比较器单元、第一跟踪微分器单元和第二非线性运算单元；第一扩张状态观测器单元的两个输入端分别为第i个跟随者关节1的输出yi,1和第二非线性运算单元的输出ui,1；误差面si,1,1运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第k个领导者双连杆机械臂的输出yk,1,d、邻接通信aij和第一扩张状态观测器单元的输出第一非线性运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第j(1≤j≤N)个跟随者的输出yj,1、邻接通信aij、第i个跟随者关节1的输出yi,1、第一扩张状态观测器单元的输出和误差面si,1,1运算单元的输出；第一比较器单元为误差面si,1,2，其输入端为第一扩张状态观测器单元的输出和第一非线性运算单元的输出xi,1,2,d；第一跟踪微分器单元的输入端为第一非线性运算单元的输出xi,1,2,d；第二非线性运算单元的输入端为有向图中邻接通信aij、第i个跟随者关节1的输出yi,1、误差面si,1,1运算单元的输出、第一跟踪微分器单元的输出vi,1,2、第一比较器单元的输出si,1,2和第一扩张状态观测器单元的输出第2子控制器包括第二扩张状态观测器单元、误差面si,2,1运算单元、第三非线性运算单元、第二比较器单元、第二跟踪微分器单元和第四非线性运算单元；第二扩张状态观测器单元的两个输入端分别为第i个跟随者关节2的输出yi,2和第四非线性运算单元的输出ui,2；误差面si,2,1运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第k个领导者双连杆机械臂的输出yk,2,d、邻接通信aij和第二扩张状态观测器单元的输出第三非线性运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第j个跟随者关节2的输出yj,2、邻接通信aij、第i个跟随者关节2的输出yi,2、第二扩张状态观测器单元的输出和误差面si,2,1运算单元的输出；第二比较器单元为误差面si,2,2，其输入端为第二扩张状态观测器单元的输出和第三非线性运算单元的输出xi,2,2,d；第二跟踪微分器单元的输入端为第三非线性运算单元的输出xi,2,2,d；第四非线性运算单元的输入端为有向图中邻接通信aij、第i个跟随者关节2的输出yi,2、误差面si,2,1运算单元的输出、第二跟踪微分器单元的输出vi,2,2、第二比较器单元的输出si,2,2和第二扩张状态观测器单元的输出基于输出位置的多双本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器，将N个含未知动态的双连杆机械臂视为跟随者，其与M个领导者通过单向拓扑图连接成的网络化系统作为被控对象，领导者构成一个静态凸包，利用跟随者各自的关节1和关节2输出的位置设计包含控制器，使得跟随者的输出收敛于该静态凸包内，所述的第i(1≤i≤N)个跟随者的控制器结构包括第1子控制器和第2子控制器，第1和2子控制器的输入端均与有向图

【技术特征摘要】
1.基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器，将N个含未知动态的双连杆机械臂视为跟随者，其与M个领导者通过单向拓扑图连接成的网络化系统作为被控对象，领导者构成一个静态凸包，利用跟随者各自的关节1和关节2输出的位置设计包含控制器，使得跟随者的输出收敛于该静态凸包内，所述的第i(1≤i≤N)个跟随者的控制器结构包括第1子控制器和第2子控制器，第1和2子控制器的输入端均与有向图的输出端相连，2个子控制器的输出端均与第i个跟随者的输入端连接，其特征在于：第1子控制器包括第一扩张状态观测器单元、误差面si,1,1运算单元、第一非线性运算单元、第一比较器单元、第一跟踪微分器单元和第二非线性运算单元；第一扩张状态观测器单元的两个输入端分别为第i个跟随者关节1的输出yi,1和第二非线性运算单元的输出ui,1；误差面si,1,1运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第k个领导者双连杆机械臂的输出yk,1,d、邻接通信aij和第一扩张状态观测器单元的输出第一非线性运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第j(1≤j≤N)个跟随者的输出yj,1、邻接通信aij、第i个跟随者关节1的输出yi,1、第一扩张状态观测器单元的输出和误差面si,1,1运算单元的输出；第一比较器单元为误差面si,1,2，其输入端为第一扩张状态观测器单元的输出和第一非线性运算单元的输出xi,1,2,d；第一跟踪微分器单元的输入端为第一非线性运算单元的输出xi,1,2,d；第二非线性运算单元的输入端为有向图中邻接通信aij、第i个跟随者关节1的输出yi,1、误差面si,1,1运算单元的输出、第一跟踪微分器单元的输出vi,1,2、第一比较器单元的输出si,1,2和第一扩张状态观测器单元的输出第2子控制器包括第二扩张状态观测器单元、误差面si,2,1运算单元、第三非线性运算单元、第二比较器单元、第二跟踪微分器单元和第四非线性运算单元；第二扩张状态观测器单元的两个输入端分别为第i个跟随者关节2的输出yi,2和第四非线性运算单元的输出ui,2；误差面si,2,1运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第k个领导者双连杆机械臂的输出yk,2,d、邻接通信aij和第二扩张状态观测器单元的输出第三非线性运算单元的输入端分别为有向图中观测器状态第j个跟随者关节2的输出yj,2、邻接通信aij、第i个跟随者关节2的输出yi,2、第二扩张状态观测器单元的输出和误差面si,2,1运算单元的输出；第二比较器单元为误差面si,2,2，其输入端为第二扩张状态观测器单元的输出和第三非线性运算单元的输出xi,2,2,d；第二跟踪微分器单元的输入端为第三非线性运算单元的输出xi,2,2,d；第四非线性运算单元的输入端为有向图中邻接通信aij、第i个跟随者关节2的输出yi,2、误差面si,2,1运算单元的输出、第二跟踪微分器单元的输出vi,2,2、第二比较器单元的输出si,2,2和第二扩张状态观测器单元的输出2.根据权利要求1所述的基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器，其特征在于：考虑由N个含未知动态的双连杆机械臂组成的跟随者群体与M个领导者之间通过单向拓扑图连接成的多智能体网络，且每一个跟随者至少与一个领导者之间有通信；它们之间的信息通信可由有向图表示，其中是节点集合，ni表示双连杆机械臂i，nj表示双连杆机械臂j，是边的集合，表示智能体j能够直接获得智能体i的信息；是邻接矩阵,aij定义如下：节点i的邻接集合定义为有向图的拉普拉斯矩阵定义如下：拉普拉斯矩阵其中D＝diag[d1,…,dN]为有向图的度矩阵,跟随者至少有一个邻接节点，领导者没有邻接节点，则拉普拉斯矩阵可分解：其中，3.根据权利要求1所述的基于输出位置的多双连杆机械臂包含控制器，其特征在于：跟随者中的第i个双连杆机械臂的数学模型为：式中，qi,1为第i个双连杆机械臂关节1的角位置，qi,2为第i个双连杆机械臂关节2的角位置，qi＝[qi,1qi,2]T是连接角位置；分别是连接角速度和加速度，τi＝[τi,1τi,2]T是控制输入，系统参数选取如下：式中，a3＝m2l1lc2cos(δ)，a4＝m2l1lc2sin(δ)，I1为关节1转到的粘性摩擦系数，I2为关节2转到的粘性摩擦系数，l1为杆1的长度，m1是杆1的质量，m2是杆2的质量，δ是初始关节2和纵轴的夹角，lc1为关节1到杆1质心的距离，lc2为关节2到杆2质心的距离，进一步，令[xi,1,1xi,2,1]T＝[qi,1qi,2]T，[ui,1ui,2]T＝[τi,1τi,2]T可以得到第i个跟随者的状态方程：式中，yi,1、yi,2分别为第i个跟随者关节1和关节2的输出，Wi,11＝a1+2a2cos(yi,1)+2a4sin(yi,2)，和为第i个跟随者双连杆机械臂的内部未知的动态部分。4.根据权利要求1所述的基于输出位置的多双连杆机械...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杨，谈杰，岳东，徐闯，缪松涛，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32