一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术提出了一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：根据机械臂的构型，确定机械臂动力学模型；定义轨迹跟踪系统；重新标定时间坐标系，确定动力学模型中各个参数真值与估计值之间的约束条件；分析系统的固定时间状态稳定性和收敛性，并结合李雅普诺夫方法，进行稳定性分析，寻找控制输入量；根据系统稳定性分析和李雅普诺夫方法分析结果，确定控制律；选择控制参数和控制时间，进行轨迹跟踪控制。行轨迹跟踪控制。行轨迹跟踪控制。

【技术实现步骤摘要】
一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及工业机器人
，特别涉及一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]在机器人的许多应用中，底层控制器的收敛时间起着至关重要的作用。在许多任务中，对于最大的收敛时间都有严格的要求，如果不能在规定的时间内实现收敛，就会导致机械臂无法完成任务。收敛时间对机器人的规划和可靠性也有影响。例如，如果已知某项任务的收敛时间的准确估计，就可以对机械手的生产率做出准确可靠的估计。在此基础上，当多机器人协同使用时，如在工业应用的装配线中，对于每一项单独任务的完成时间的可靠估计是至关重要的，以便有效地规划每一个机械手的操作。大量的研究致力于发展机器人的控制方法，这些方法能够保证收敛时间的上界(可能依赖于初始条件)，在有限的时间内收敛到零。关于机器人有限时间收敛方法的大致可以分为三大类:有限时间方法、固定时间方法和规定时间方法。
[0003]有限时间方法的特点是收敛时间以初始条件范数为界，收敛时间以控制器参数为函数。虽然这些方法对于获得更一致的收敛结果是有用的，但要获得特定的期望收敛时间，需要确定所要完成任务的最大初始条件，然后根据该值调整控制器参数。因此，为了完成更大的任务集，在不同的初始条件和最大允许操作时间下，必须为每个任务确定单独的控制器参数。
[0004]固定时间方法的特点是收敛时间受控制器参数的函数约束，且该函数与初始条件无关。这样，针对特定任务的控制器参数调整过程就大大简化了，因为不再需要考虑任务的最大预期初始条件，而只需要最大完成时间。但是需要注意的是，这个收敛时间的上界通常是保守的，因此机器人机械手通常会在超过要求的完成时间之前完成任务。此外，根据固定时间控制器的实现，有限收敛时间的上界可能不能被任意设置，这意味着某些最大完成时间可能过于严格，控制器无法有效处理。
[0005]而规定时间方法的特点是明确规定为控制器参数。规定时间方法的这一理想特性使同一组控制器参数能够用于具有不同完成时间要求的各种任务。由于这种良好的性质，规定时间方法的发展已成为近年来一个活跃的研究课题。该方法首次本引入用来实现对控制系统的原始状态的调节，同时具有平滑的、一致有界的控制输入和拒绝匹配的非消失干扰。一种常见的规定时间控制器是基于时间的状态轨迹生成器，这种控制方法的一个关键特点，也可以说是一个缺点，是明确地使用控制器结构中的初始条件作为前馈项，以及一个滑模控制方案，以纠正一致有界匹配不确定性。
[0006]目前，在工业届中，对于七自由度机械臂这样的高复杂性系统来说，还没有成熟的有限时间收敛轨迹跟踪控制的方案，尤其是能根据用户需求来规定收敛时间的控制方法还没有实现、应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。
[0008]为此，本专利技术的目的在于提出一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术的实施例提供一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：步骤S1，根据机械臂的构型，确定机械臂动力学模型；步骤S2，定义轨迹跟踪系统；步骤S3，重新标定时间坐标系，确定动力学模型中各个参数真值与估计值之间的约束条件；步骤S4，分析系统的固定时间状态稳定性和收敛性，并结合李雅普诺夫方法，进行稳定性分析，寻找控制输入量；步骤S5，根据系统稳定性分析和李雅普诺夫方法分析结果，确定控制律；步骤S6，选择控制参数和控制时间，进行轨迹跟踪控制。
[0010]进一步，在所述步骤S1中，确定七自由度机器人的构型，得到具体的D
‑
H参数表，通过牛顿
‑
欧拉方法或者拉格朗日方法建立动力学模型。
[0011]进一步，在所述步骤S2中，所述定义轨迹跟踪系统，包括：利用相关的辨识方法确定好质量矩阵，科氏力矩阵，重力，摩擦力等关键系统参数的估计值，需要满足以下约束：；其中，为常参数，根据工程精度需要由实施者自行确定；为轴的角度值，为轴的角速度；为质量阵；为的逆矩阵；为质量阵的估计；I为单位阵；C为科氏力阵，表示和的相关函数；为重力阵；为重力阵的估计；为摩擦力阵；为摩擦力阵的估计；D（t）为干扰力矩；t为时间。
[0012]进一步，在所述步骤S3中，所述重新标定时间坐标系，包括：
引入以下单调递增尺度函数以及坐标变换：，；其中，T为实施者自行规定的系统状态调整所需时间，通过此变换，将有限时间T转换到[0, +∞)上；:重新标定的时间坐标系；T为实施者自行规定的系统状态调整所需时间；t为时间；ε为位置跟踪误差；α为比例参数；w（t）和z（t）分别为重新标定后的时间坐标。
[0013]进一步，在所述步骤S5中，所述根据系统稳定性分析和李雅普诺夫方法分析结果，确定控制律，包括如下步骤：通过系统稳定性分析和李雅普诺夫第二方法，就可以初步确定控制器的具体实现形式如下：；其中，，如果合理地选择控制参数ρ、k、η，能够使得下面两条不等式成立，则系统在规定时间的输入下能够达到稳定并且收敛到零：，；并且需要满足：；其中，τ为控制器的力矩；ρ,k,η为控制参数；θ为控制参数，需要满足特定不等式；为最小特征根；T为实施者自行规定的系统状态调整所需时间；为关节角加速度的期望值；q为轴的角度值。
[0014]进一步，控制器选择为由关节角度和速度误差表示的形式：；τ为控制器的力矩；K和θ为控制器的PD参数，起着使系统误差趋零的主要作用；是阻尼项的增益，作用是消减不确定扰动对控制器的影响；是一个权重系数，用来调整控制器比例增益和微分增益；为关节角加速度的期望值；ε为位置跟踪误差；为位置跟踪误差的估计值；T为实施者自行规定的系统状态调整所需时间；为重力阵的
估计；为摩擦力阵的估计。
[0015]根据本专利技术实施例的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，具有以下有益效果：（1）本专利技术提出的控制器应用场景广泛，适用度高。
[0016]（2）在保证系统能够达到状态稳定的前提下，本控制器可以根据人为需要制定控制时间（前提是需满足机器人系统本身的动力学约束）。并且具有较强的鲁棒性。
[0017]（3）对于系统本身质量、科氏力以及重力等系统参数，不需要完全准确的测量，只需较为准确的估计值即可。大大降低了工程实施的难度。
[0018]（4）除时间外的其余控制参数只需在实行前设定一次，无需重复改动。
[0019]本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0020]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术实施例的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法的流程图；图2为根据本专利技术实施例的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法的示意图。
具体实施方式
[0021]下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，根据机械臂的构型，确定机械臂动力学模型；步骤S2，定义轨迹跟踪系统；步骤S3，重新标定时间坐标系，确定动力学模型中各个参数真值与估计值之间的约束条件；步骤S4，分析系统的固定时间状态稳定性和收敛性，并结合李雅普诺夫方法，进行稳定性分析，寻找控制输入量；步骤S5，根据系统稳定性分析和李雅普诺夫方法分析结果，确定控制律；步骤S6，选择控制参数和控制时间，进行轨迹跟踪控制。2.如权利要求1所述的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在所述步骤S1中，确定七自由度机器人的构型，得到具体的D
‑
H参数表，通过牛顿
‑
欧拉方法或者拉格朗日方法建立动力学模型。3.如权利要求1所述的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在所述步骤S2中，所述定义轨迹跟踪系统，包括：利用相关的辨识方法确定好质量矩阵，科氏力矩阵，重力，摩擦力等关键系统参数的估计值，需要满足以下约束：；其中，为常参数，根据工程精度需要由实施者自行确定；为轴的角度值，为轴的角速度；为质量阵；为的逆矩阵；为质量阵的估计；I为单位阵；C为科氏力阵，表示和的相关函数；为重力阵；为重力阵的估计；为摩擦力阵；为摩擦力阵的估计；D（t）为干扰力矩；t为时间。4.如权利要求1所述的七自由度机械臂预定时间轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述重新标定时间坐标系，包括：引入以下单调递增尺度函...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶斌鹏，庹华，韩峰涛，张航，何刚，马建涛，陈可，万昊，
申请(专利权)人：珞石北京科技有限公司，
类型：发明
国别省市：