约束电缆驱动机械臂的基于TDE的避障控制器设计方法技术

本发明专利技术公开了一种约束电缆驱动机械臂的基于TDE的避障控制器设计方法，在安全保证的情况下将操作员作为系统操作主体，当环境被判定为危险或者未知的状态下，电缆驱动机械臂控制系统触发自适应状态反馈控制器，机器操作作为操作主体，能够避免人类操作者的操作失误。首先，设置一组安全约束，保证电缆驱动机械臂的状态或输出满足这些约束以确保机械臂“安全性”的要求，并利用时滞估计对剩余的集总系统动力学进行估计和补偿。其次，在控制器设计中考虑由估计带来的误差，有效提高整个共享控制系统的鲁棒性。自适应固定时间状态反馈控制有效地保证了共享控制系统在运行中实现快速、准确和鲁棒收敛，让电缆驱动机械臂满足安全约束，保障其安全性能。保障其安全性能。

【技术实现步骤摘要】
约束电缆驱动机械臂的基于TDE的避障控制器设计方法


[0001]本专利技术属于机械臂控制
，涉及约束电缆驱动机械臂的基于TDE的自适应固定时间状态反馈共享控制方法。

技术介绍

[0002]共享控制是针对如电缆驱动机械臂这种非线性系统的一种结合了人工操作输入和反馈控制输入的控制体系结构。它跟众所周知的防抱死制动系统中所描述的含义相同。在正常的情况下，人工操作人员负责管理系统，而在紧急的情况下，即系统陷入了定义的“危险”的情况，反馈控制器会占据系统控制的主动权。
[0003]共享控制有许多具有代表性应用，如人—机器人系统，移动机器人和多机器人系统。共享控制的主要目标是保证系统的“安全性”，而“安全性”的主要问题是避障。现在已经有很多著名的方法可以解决机器人的避障问题，如基于人工势场的局部路径规划算法和基于障碍李雅普诺夫函数的控制算法。然而，当机器人通过一个狭窄的通道时，基于人工势场的局部路径规划算法容易导致局部最小化和振荡运动。基于障碍李雅普诺夫函数的控制算法不能允许系统状态达到机器人可容许空间的边界。除了上述的机器人领域外，共享控制概念也被应用于其他工程领域，如医疗手术、智能轮椅、辅助驾驶汽车、飞机飞行、航天器交会、装配工业。在这些应用中，通常使用连续标量函数来保证人工操作人员与反馈控制器之间的平稳过渡。然后利用无开关振荡的简单共享迟滞开关函数，将控制权限分配给人工操作人员和反馈控制器。从理论上证明了上述研究中受控系统的性能。然而，在实际工程中，电缆驱动机械臂的系统本质上是非线性的，动力学模型中往往存在参数不确定性，所以采用非自适应状态反馈共享控制方法无法保证实际系统的闭环性能，需要借助先进的控制技术提高控制系统的鲁棒性。此外，实际电缆驱动机械臂的系统的响应速度极快，因此对于共享控制系统，应研究具有快速收敛性能的先进控制方法。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提出了约束电缆驱动机械臂的基于时延估计法(TDE)的自适应固定时间状态反馈共享控制器设计方法。
[0005]针对电缆驱动机械臂安全性能问题，采用时间延时估计方法设计了一种基于共享控制的自适应固定时间状态反馈控制器。该方法利用约束来控制机械臂保持在理论上定义的安全区域内，而共享控制的设计保证了电缆驱动机械臂总能满足约束条件。同时，自适应与固定时间的结合运用，有效提升了系统的鲁棒性能与收敛速度和精度。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了如下的技术方案：
[0007]根据本专利技术的一种约束电缆驱动机械臂的基于TDE的自适应固定时间状态反馈共享控制器设计方法，所述控制方法包含以下几个步骤：
[0008]步骤1，构建用于描述机机械臂状态的动力学模型；
[0009]步骤2，运用基于时延估计法估计动力学模型中的未知参数；
[0010]步骤3，根据动力学模型，设计固定时间状态反馈共享控制器，包括三个部分：对空间区域进行划分和说明共享控制的特性、设计自适应固定时间状态反馈控制器和设计共享控制器。
[0011]进一步的，步骤1中具有n个自由度的机械臂的动力学模型表示为：
[0012][0013][0014][0015]式中，J和d
m
是电机惯性和阻尼矩阵，q和θ是关节和电机位置向量，是电机惯性和阻尼矩阵，q和θ是关节和电机位置向量，分别表示对q和θ求一阶导数和二阶导数，M(q)是惯性矩阵，是科里奥利/离心矩阵，g(q)是引力，则是摩擦矢量，u
s
和τ
s
分别为电机给出的控制转矩和关节柔度转矩，d
s
为阻尼矩阵，k
s
为关节刚度矩阵，τ
d
表示集总未知不确定性；
[0016]为了方便使用TDE方案，即基于时延估计法，将(2)代入(1)，应用常数参数得到：
[0017][0018]其中，f的表达式为：
[0019][0020]进一步的，步骤2所述未知参数即为f，利用TED方案求出其估计值
[0021][0022]式中Δt为延迟时间，将动态模型(4)带入(6)可得：
[0023][0024]由(6)和(7)可以看出，TED方案的目的是仅使用控制和加速度信号的时滞值估计集总系统动力学，然后给出一种无模型方案；
[0025]在工程运用中，u
s
(t
‑
Δt)可以由u
s
的直接时滞得出，利用数值微分法得到
[0026][0027]其中，时间节点t0≥2Δt，在初始阶段时，时刻t≤2Δt，q(t)具有实际测量值，而q(t
‑
2Δt)被手动置零，从而可能导致强烈波动，因此(8)用来缓解可能存在的强烈波动。
[0028]进一步的，步骤3中对空间区域进行划分和说明共享控制的特性的具体实现方式如下；
[0029]定义允许机械臂的状态存在的空间为空容许集Θ，该空容许集由一组线性不等式定义，即
[0030][0031]其中，矩阵矩阵和i∈{1,2,...,m}，m表示S和T的行数，n表示状态变量p的列数，如果m＞n，矩阵S和T满足其中j∈{1,2,...,l}，r1,r2,...,r
l
∈{1,2,...,m}，l∈[n+1,m]；
[0032]根据机械臂到达边界时的距离和速度，整个状态空间可以分为三个子空间，安全集，滞后集与危险集；设置约束条件，对于满足约束条件的状态，机械臂在安全和滞后集，不满足约束机械臂在危险集，对于第i组积极约束：
[0033]x
i
＝S
i
p+T
i
≤0(11)
[0034]式中，x
i
表示位置坐标，S
i
是非奇异的，然后给出安全集，滞后集和危险集定义：
[0035][0036][0037]或
[0038][0039]其中，是对x
i
的求导，和b2＞b1＞0；
[0040]在共享控制器控制下的机械臂系统s
‑
闭环与在人工操作下的机械臂系统h
‑
闭环分别由(4)和描述，另外，用Ω
h
和Ω
s
分别表示h
‑
闭环与s
‑
闭环系统的极限集Ω
‑
limit；Θ是一个根据动力学模型(4)给定的且紧凑的可容许组态集，u
s
(u
h
,u
f
)∈R
n
是外部输入，其中，u
h
是给定的人工操作的输入，u
f
是反馈控制器的输入；然后，共享控制的设计是寻找一个反馈控制器，一个安全子集和一个共享函数，使系机械臂保持下列性质：
[0041]a)机械臂的结构始终保持在Θ中，并为机械臂定义一个安全子集其中是向前不变的；
[0042]b)u
s...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
Δt)被手动置零，从而可能导致强烈波动，因此(8)用来缓解可能存在的强烈波动。4.如权利要求3所述的约束电缆驱动机械臂的基于TDE的避障控制器设计方法，其特征在于：步骤3中对空间区域进行划分和说明共享控制的特性的具体实现方式如下；定义允许机械臂的状态存在的空间为空容许集Θ，该空容许集由一组线性不等式定义，即其中，矩阵矩阵和i∈{1,2,...,m}，m表示S和T的行数，n表示状态变量p的列数，如果m＞n，矩阵S和T满足其中j∈{1,2,...,l}，r1,r2,...,r
l
∈{1,2,...,m}，l∈[n+1,m]；根据机械臂到达边界时的距离和速度，整个状态空间可以分为三个子空间，安全集，滞后集与危险集；设置约束条件，对于满足约束条件的状态，机械臂在安全和滞后集，不满足约束机械臂在危险集，对于第i组积极约束：x
i
＝S
i
p+T
i
≤0
ꢀꢀꢀꢀ
(11)式中，x
i
表示位置坐标，S
i
是非奇异的，然后给出安全集，滞后集和危险集定义：或或其中，是对x
i
的求导，和b2＞b1＞0；在共享控制器控制下的机械臂系统s
‑
闭环与在人工操作下的机械臂系统h
‑
闭环分别由(4)和描述，另外，用Ω
h
和Ω
s
分别表示h
‑
闭环与s
‑
闭环系统的极限集Ω
‑
limit；Θ是一个根据动力学模型(4)给定的且紧凑的可容许组态集，u
s
(u
h
,u
f
)∈R
n
是外部输入，其中，u
h
是给定的人工操作的输入，u
f
是反馈控制器的输入；然后，共享控制的设计是寻找一个反馈控制器，一个安全子集和一个共享函数，使系机械臂保持下列性质：a)机械臂的结构始终保持在Θ中，并为机械臂定义一个安全子集其中是向前不变的；b)u
s
不会改变人工操作的目标；c)如果机械臂的状态保持在安全子集中，有u
s
＝u
h
。
5.如权利要求4所述的约束电缆驱动机械臂的基于TDE的避障控制器设计方法，其特征在于：设计自适应固定时间状态反馈控制器的具体实...

【专利技术属性】
技术研发人员：商巍，郭永达，李立军，章正飞，李靖，刘宇帆，王喻林，
申请(专利权)人：浙江钱塘机器人及智能装备研究有限公司，
类型：发明
国别省市：