一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法、系统及存储介质技术方案

一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法、系统及存储介质，它通过构建控制器模型控制机械臂，控制器模型包括有标称控制项和鲁棒控制项，标称控制项用于描述机械臂控制的确定部分，鲁棒控制项用于描述机械臂控制的不确定部分。它结构简单，易于计算不确定项，可快速构建二自由度平面机械臂控制器模型。制器模型。制器模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及机械臂控制
，特别是一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]机械臂应用于各种工业生产领域，机械臂的控制精确度是机械臂
中最为重要的基础指标。实际控制中，机械臂受到系统参数摄动、外界扰动、时变摩擦力等非线性不确定项的干扰，想要建立精确的机械臂动力学模型十分困难。鲁棒控制由于能够补偿系统中结构和非结构的不确定性而在实际工程中广泛应用，常见鲁棒控制方法包括H
∞
控制，滑模控制和自适应鲁棒控制等。但H
∞
控制能够补偿不确定性，但是并不是基于模型设计，这在实际操作中实现高速度和高精度的要求并不容易；同理，滑模控制由于自身特性会导致系统出现高频抖动；而自适应鲁棒控制通过在线调整控制器结构而需要设计适应律，这同样在实践中比较复杂。
[0003]在CN109927032A中公开了一种名为“一种基于高阶滑模观测器的机械臂轨迹跟踪控制方法”，它首先建立机械臂动力学模型，将阻尼摩擦作为集总扰动，再根据机械臂轨迹跟踪误差建立全局积分快速终端滑模面，根据全局积分快速终端滑模面确定机械臂控制力矩，根据控制力矩建立反馈高阶滑模观测器，采用自适应的方式估计集总扰动。其不足在于，1、滑模控制由于自身特性会导致系统出现高频抖动；2、采用自适应的方式来总体估计集总扰动，需要设计适应律，若外部环境发生改变，则需要重新设计适应律；3、将阻尼摩擦作为集总扰动项进行估计。

技术实现思路

[0004]本专利技术的第一个目的就是提供一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，它结构简单，易于计算不确定项，可快速构建二自由度平面机械臂控制器模型。
[0005]本专利技术的第一个目的是通过这样的技术方案实现的，具体方法如下：
[0006]1)获取待控制二自由度机械臂的模型构建参数和待控制机械臂的应用环境参数，给定机械臂的理想轨迹参数；
[0007]2)根据二自由度机械臂模型构建参数、应用环境参数和理想轨迹参数，建立控制机械臂的控制器模型；
[0008]其中，控制器模型包括有标称控制项和鲁棒控制项，标称控制项用于描述机械臂控制的确定部分，鲁棒控制项用于描述机械臂控制的不确定部分。
[0009]该实施方式中，将机械臂控制器模型明确分为了标称控制项和鲁棒控制项，分别用以描述确定部分和不确定部分。对于任意确定的二自由度机械臂及其应用环境，均可快速确定其标称控制项和鲁棒控制项，结构简单，易于实现，且在仿真实验中展现具有良好的
控制性能。
[0010]作为优选，所述标称控制项包括有摩擦力控制子项，用以量化摩擦力对控制器模型的影响，减少不确定部分变量；
[0011]该摩擦力控制子项为分段模型，以待控制机械臂的关节速度是否大于摩擦力模型速度选择阈值决定。
[0012]该实施方式中，将摩擦力作为分析对象，归纳入标称控制项内，可以减小不确定部分的，便于构建鲁棒控制项。
[0013]作为优选，所述摩擦力控制子项包括有自变量环境温度T，用以量化温度对摩擦力控制子项的影响，在不同环境温度区间计算出对应的摩擦力控制子项。
[0014]该实施方式中，针对因环境温度变化而产生的变量进行分析，转换为对摩擦力的影响力，进一步减小因温度而引起的不确定部分变量，便于构建鲁棒控制项。
[0015]作为优选，所述方法还包括有步骤3)：
[0016]3)采集机械臂实际运行轨迹，当实际运行轨迹出现误差时，首先判断机械臂的关节极限速度与摩擦力模型速度选择阈值的大小关系是否有误，若有误则更换摩擦力控制子项的分段；
[0017]若无误，则重新测量自变量环境温度T，根据自变量环境温度重新计算摩擦力控制子项。
[0018]该实施方式中，当机械臂控制器模型与实际运行轨迹出现误差时，可优先判断是否由摩擦力或温度变化引起的误差，若由摩擦力或温度变化引起，则可快速解决。
[0019]作为优选，所述模型构建参数包括有：
[0020]连杆1的转动惯量I1、连杆2的转动惯量I2、连杆1的质量m1、连杆2的质量m2、关节2电机的质量m3、末端电机的质量m4、连杆1的长度l1、连杆2的长度l2、连杆1质心到旋转中心的距离l
c1
、连杆2质心到旋转中心的距离l
c2
；库伦摩擦力系数f
ci
，粘性摩擦力系数f
vi
，静摩擦力系数f
si
；
[0021]理想轨迹参数包括有二自由度平面机械臂轨迹信号θ
d
(t)和第一关节当前角度θ(t)和第二关节当前角度得到对应的误差e(t)和
[0022]所述应用环境参数包括有机械臂应用环境的温度T。
[0023]作为优选，所述控制力矩控制模型为：
[0024][0025]其中，为控制力矩，为标称控制项，为鲁棒控制项，自变量t为时间，θ为关节角度，为关节角速度。
[0026]作为优选，所述标称控制项为：
[0027][0028]式中，K
P
∈R2是比例系数，具体可表述为K
P
＝diag{[k
pi
]2×2},k
pi
＞0,i＝1,2；
[0029]K
D
∈R2是微分系数，具体可表述为K
D
＝diag{[k
di
]2×2},k
di
＞0,i＝1,2；
[0030]S＝diag{[s
i
]2×2},s
i
＞0,i＝1,2，取s1＝s2＝1，即S＝diag{1；1}；
[0031]θ
d
为期望轨迹，为期望关节角加速度，e为关节角度误差，为关节角速度误差，为标称惯性矩阵，为标称科里奥利力矩阵，为标称摩擦力矩阵；
[0032]其中，
[0033][0034][0035][0036]其中，
[0037][0038][0039][0040][0041]其中，
[0042][0043]式中，f
ci
为库仑摩擦力系数，f
vi
(T)为粘性摩擦力系数，f
si
为静摩擦力系数，sign(
·
)为符号函数，ω
s
为关节速度系数；
[0044][0045][0046]式中，k
l
、k
p
和k
q
分别是需要根据实际运动状态确定的参数，a
i
为对应电机的输出加速度；
[0047]自变量环境温度T计算出对应的摩擦力控制子项的具体公式为：
[0048][0049]式中，T为环境温度，f
vi
、f
mi
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，具体方法如下：1)获取待控制二自由度机械臂的模型构建参数和待控制机械臂的应用环境参数，给定机械臂的理想轨迹参数；2)根据二自由度机械臂模型构建参数、应用环境参数和理想轨迹参数，建立控制机械臂的控制器模型；其中，控制器模型包括有标称控制项和鲁棒控制项，标称控制项用于描述机械臂控制的确定部分，鲁棒控制项用于描述机械臂控制的不确定部分。2.如权利要求1所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述标称控制项包括有摩擦力控制子项，用以量化摩擦力对控制器模型的影响，减少不确定部分变量；该摩擦力控制子项为分段模型，以待控制机械臂的关节速度是否大于摩擦力模型速度选择阈值决定。3.如权利要求2所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述摩擦力控制子项包括有自变量环境温度T，用以量化温度对摩擦力控制子项的影响，在不同环境温度区间计算出对应的摩擦力控制子项。4.如权利要求3所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述方法还包括有步骤3)：3)采集机械臂实际运行轨迹，当实际运行轨迹出现误差时，首先判断机械臂的关节极限速度与摩擦力模型速度选择阈值的大小关系是否有误，若有误则更换摩擦力控制子项的分段；若无误，则重新测量自变量环境温度T，根据自变量环境温度重新计算摩擦力控制子项。5.如权利要求1所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述模型构建参数包括有：连杆1的转动惯量I1、连杆2的转动惯量I2、连杆1的质量m1、连杆2的质量m2、关节2电机的质量m3、末端电机的质量m4、连杆1的长度l1、连杆2的长度l2、连杆1质心到旋转中心的距离l
c1
、连杆2质心到旋转中心的距离l
c2
；库伦摩擦力系数f
ci
，粘性摩擦力系数f
vi
，静摩擦力系数f
si
；理想轨迹参数包括有二自由度平面机械臂轨迹信号θ
d
(t)和第一关节当前角度θ(t)和第二关节当前角度得到对应的误差e(t)和所述应用环境参数包括有机械臂应用环境的温度T。6.如权利要求5所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述控制力矩控制模型为：其中，为控制力矩，为标称控制项，为鲁棒控制项，自变量t为时间，θ为关节角度，为关节角速度。
7.如权利要求6所述的基于标称控制项和不确定项的二自由度平面机械臂控制方法，其特征在于，所述标称控制项为：式中，K
P
∈R2是比例系数，具体可表述为K
P
＝diag{[k
pi
]2×2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟超群，刘晓黎，肖浩文，
申请(专利权)人：合肥中科深谷科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：