基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法及其系统技术方案

本发明专利技术提供基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法，其步骤包括指定一个距机械臂底座最近的欠驱动广义坐标；通过线性反馈模块对线性反馈环节进行处理，得到线性反馈的增益矩阵；通过对坐标变换模块进行逆变换处理，输出到坐标逆变换模块；通过坐标逆变换模块进行乘积处理，输出到非正则前馈变换的单输入通道；通过前馈变换模块进行非正则线性化处理，得到非正则前馈变换的增益矩阵；通过对单输入通道与前馈变换模块进行乘积处理，得到输入力矩；将输入力矩大小施加到受驱动的机械臂末端，可以实现驱动机械臂末端到事先指定的平衡位置上。本方法控制效果良好，可较好应用于具有柔性关节机器人的镇定控制。

Underactuated robot control method based on irregular feedback loop and system thereof

The invention provides a non regular feedback loop control method based on underactuated robot, which comprises the following steps specify a distance of underactuated manipulator base recently generalized coordinates; through linear feedback module of linear feedback processing, linear feedback gain matrix is obtained; through the transform of coordinate transformation module, output to coordinate the inverse transform module; for product processing by coordinate transform module, output to a single input channel non regular feedforward transformation; linearization by non regular feedforward transformation module, non regular feedback gain matrix transform; the single input channel and feedforward transformation module for product processing, the input torque of the input; torque is applied to the terminal driven manipulator, can drive manipulator to the balance position designated On. The method has good control effect and can be applied to stabilization control of robot with flexible joint.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人柔性关节的驱动控制，具体是指基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法及其系统。
技术介绍
对具有刚性关节的机器人，其标准的控制方法是利用基于正则反馈回路的线性化控制方法将机械臂的物理模型化为可控的线性系统模型，然后根据线性系统理论给出控制机械臂末端的驱动设计方案。此方法的一个典型特征是所使用的反馈变换是正则的，即变换前的控制通道数与变换后的控制通道数相等，其反馈增益矩阵是非奇异的。这一特征为从理论上探讨反馈线性化方法提供了方便，但同时也限制了这一方法的可应用范围，很多自动控制系统无法适用正则反馈回路线性化方法。对具有柔性关节的机器人系统，因柔性关节的欠驱动特性，其物理模型不能通过正则反馈线性化方法化为线性模型，这为其驱动控制设计带来了极大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法，其控制效果良好，可较好应用于具有柔性关节机器人的镇定控制。本专利技术的目的还在于提供实现上述基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法的控制系统。本专利技术的目的通过下述技术方案实现本基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法，其步骤包括(1)指定一个距机械臂底座最近的欠驱动广义坐标，称为线性化输出坐标，通过坐标变换模块进行坐标变换，即等价坐标处理，得到一组新坐标，新坐标的第一个分量是线性化输出坐标，第二个分量是第一个分量沿着机械臂的方向导数，其余的分量可依机械臂末端到基座的次序类推；(2)通过线性反馈模块对线性反馈环节进行处理，输出到线性反馈的增益矩阵； (3)通过对坐标变换模块进行逆变换处理，输出到坐标逆变换模块，新坐标乘以坐标逆变换即为原坐标；(4)通过坐标逆变换模块进行乘积处理，输出到非正则前馈变换的单输入通道，所述单输入通道值等于线性反馈增益矩阵乘以坐标逆变换；(5)通过前馈变换模块进行非正则线性化处理，得到非正则前馈变换的增益矩阵；所述非正则线性化处理是依据新坐标的顺序逐个确定前馈变换增益矩阵的分量，使得单输入通道成为新坐标的线性映射；(6)通过对单输入通道与前馈变换模块进行乘积处理，得到输入力矩，所述输入力矩即为非正则前馈变换模块的增益矩阵乘以单输入通道；(7)将步骤(6)得出的输入力矩大小施加到受驱动的机械臂末端，可以实现驱动机械臂末端到事先指定的平衡位置上。其中，步骤(1)所述坐标变换可表示为z=T,]]>其中h是线性化输出坐标，f是机械臂的数学模型，Lkfh是h沿向量f的k阶方向导数。实现本基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法的控制系统，包括前馈变换模块、积分器、坐标变换模块、线性反馈模块、坐标逆变换模块，所述前馈变换模块为非正则前馈变换模块，其通过输入控制信号通道与输入增益模块连接，输入增益模块通过加法器与积分器连接，积分器的状态输出分为三路，一路通过系统增益模块与所述加法器连接，一路与所述输入增益模块连接，一路与坐标变换模块连接，所述坐标模块、线性反馈模块、坐标逆变换模块依次联接，所述坐标逆变换模块与所述前馈变换模块的输入控制信号通道连接，所述前馈变换模块的输出控制信号通道为多个，输入控制信号通道少于输出控制信号通道；所述积分器模块的输出信号即为机械臂末端广义坐标值。所述前馈变换模块的输入控制信号通道可以是单输入通道。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果采取非正则反馈回路线性化方法，一个重要突破是取消了正则性的要求，即允许实现线性化的前馈回路中，坐标变换后的控制通道数小于变换前的控制通道数。非正则反馈回路线性化方法的主要特征是允许反馈增益矩阵是奇异的，其突出优势是它可应用于许多正则反馈线性化方法所不适用的自动控制系统。同时，本方法具有更大的灵活性，可根据控制对象的物理特征选取前馈回路的输入通道数，从而得到更好的控制效果。附图说明图1是基于正则反馈回路的欠驱动机器人控制系统的结构示意图；图2是基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制系统的结构示意图。具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例现有的基于正则反馈回路的欠驱动机器人控制系统结构如图1所示，其包括正则前馈变换模块、积分器、坐标变换模块、线性反馈模块、坐标逆变换模块，其正则前馈变换模块的增益矩阵是可逆的方阵，因而正则前馈变换模块前和后的控制信号通道数是相等的。如图2所示，本基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制系统，包括前馈变换模块、积分器、坐标变换模块、线性反馈模块、坐标逆变换模块，前馈变换模块为非正则前馈变换模块，其通过输出控制信号通道与输入增益模块连接，输入增益模块通过加法器与积分器连接，积分器的状态输出分为三路，一路通过系统增益模块与加法器连接，一路与输入增益模块连接，一路与坐标变换模块连接，坐标模块、线性反馈模块、坐标逆变换模块依次连接，坐标逆变换模块与前馈变换模块的输入控制信号通道连接，前馈变换模块的增益矩阵是奇异的非方阵，其输出控制信号通道为多个，输入控制信号通道少于输出控制信号通道；所述积分器模块的输出信号即为机械臂末端广义坐标值。前馈变换模块的输入控制信号通道可以是单输入通道。本基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制系统是这样工作的(1)指定一个距机械臂底座最近的欠驱动广义坐标，称为线性化输出坐标，通过坐标变换模块进行坐标变换，即等价坐标处理，得到一组新坐标，新坐标的第一个分量是线性化输出坐标，第二个分量是第一个分量沿着机械臂的方向导数，其余的分量可依机械臂末端到基座的次序类推；(2)通过线性反馈模块对线性反馈环节进行处理，输出到线性反馈的增益矩阵；(3)通过对坐标变换模块进行逆变换处理，输出到坐标逆变换模块，新坐标乘以坐标逆变换即为原坐标； (4)通过坐标逆变换模块进行乘积处理，输出到非正则前馈变换的单输入通道，所述单输入通道值等于线性反馈增益矩阵乘以坐标逆变换；(5)通过前馈变换模块进行非正则线性化处理，得到非正则前馈变换的增益矩阵；所述非正则线性化处理是依据新坐标的顺序逐个确定前馈变换增益矩阵的分量，使得单输入通道成为新坐标的线性映射；(6)通过对单输入通道与前馈变换模块进行乘积处理，得到输入力矩，所述输入力矩即为非正则前馈变换模块的增益矩阵乘以单输入通道；(7)将步骤(6)得出的输入力矩大小施加到受驱动的机械臂末端，可以实现驱动机械臂末端到事先指定的平衡位置上。其中，步骤(1)所述坐标变换可表示为z=T,]]>其中h是线性化输出坐标，f是机械臂的数学模型，Lkfh是h沿向量f的k阶方向导数。如上所述，便可较好地实现本专利技术。权利要求1.基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法，其特征在于包括以下步骤(1)指定一个距机械臂底座最近的欠驱动广义坐标，称为线性化输出坐标，通过坐标变换模块进行坐标变换，即等价坐标处理，得到一组新坐标，新坐标的第一个分量是线性化输出坐标，第二个分量是第一个分量沿着机械臂的方向导数，其余的分量可依机械臂末端到基座的次序类推；(2)通过线性反馈模块对线性反馈环节进行处理，得到线性反馈的增益矩阵；(3)通过对坐标变换模块进行逆变换处理，输出到坐标逆变换模块，新坐标乘以坐标逆变换即为原坐标；(4)通过坐标逆变换模块进行乘积处理，输出到非正则前馈本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于非正则反馈回路的欠驱动机器人控制方法，其特征在于包括以下步骤：（１）指定一个距机械臂底座最近的欠驱动广义坐标，称为线性化输出坐标，通过坐标变换模块进行坐标变换，即等价坐标处理，得到一组新坐标，新坐标的第一个分量是线性化输出坐标， 第二个分量是第一个分量沿着机械臂的方向导数，其余的分量可依机械臂末端到基座的次序类推；（２）通过线性反馈模块对线性反馈环节进行处理，得到线性反馈的增益矩阵；（３）通过对坐标变换模块进行逆变换处理，输出到坐标逆变换模块，新坐标 乘以坐标逆变换即为原坐标；（４）通过坐标逆变换模块进行乘积处理，输出到非正则前馈变换的单输入通道，所述单输入通道值等于线性反馈增益矩阵乘以坐标逆变换；（５）通过前馈变换模块进行非正则线性化处理，得到非正则前馈变换的增益矩阵； 所述非正则线性化处理是依据新坐标的顺序逐个确定前馈变换增益矩阵的分量，使得单输入通道成为新坐标的线性映射；（６）通过对单输入通道与前馈变换模块进行乘积处理，得到输入力矩，所述输入力矩即为非正则前馈变换模块的增益矩阵乘以单输入通道；　 　（７）将步骤（６）得出的输入力矩大小施加到受驱动的机械臂末端，可以实现驱动机械臂末端到事先指定的平衡位置上。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙振东，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]