【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于自动化，涉及机械臂的控制方法，具体涉及一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法。
技术介绍
1、机械臂是最常见的工业机器人之一，在军事、制造业和医学等领域中有着广泛的应用前景。机械臂不仅可以完成如装配、电焊等一些简单的重复性工作，还可以代替人类在水下、太空等恶劣危险的环境中工作，甚至可以协助医生完成高难度的手术任务。然而，随着机械臂工作环境和任务的复杂化，再加上机械臂本身的高度非线性、强耦合和易受外部环境影响的特点，使得对于机械臂的控制问题具有较强的挑战性。
2、大部分机械臂的每个关节都有电机存在，因此每个自由度都可以被直接控制，通常是一个全驱系统。然而，现有技术中常用的控制方法都是将其转化为一阶状态空间模型，再针对一阶状态空间模型进行控制器设计。这个转换的过程破坏了原机械臂控制系统的全驱特性，所得到的控制器也过于复杂，且计算量较大。
3、此外，机械臂系统受自身结构复杂、工作环境恶劣等因素的影响，容易受到干扰和发生故障。现有的控制方法较少考虑到存在干扰和故障的情况，一些容错控制方法的控制器设计也较为复杂。而干扰和故障不仅会影响系统性能，还可能导致系统的不稳定，因此，需要设计一种新的方法，实现机械臂系统的干扰抑制和容错控制。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，考虑干扰和故障问题，设计合适的滑模容错控制器，对消掉开环非线性，得到期望的闭环系统，实现了对机械臂系统的有效控制和故障容
2、一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，具体包括以下步骤：
3、步骤1、建立机械臂控制系统的全驱系统模型
4、根据机械臂的动力学原理，建立机械臂系统动力学方程：
5、
6、其中，分别是机械臂系统关节的角位置、角速度和角加速度向量；m(x)∈rn×n为机械臂系统的正定对称惯性矩阵；为机械臂系统的向心力和哥式力矩阵；g(x)∈rn为机械臂系统的重力矩阵；u∈rn表示控制输入力矩。
7、在上述动力学方程的基础上考虑外界未知干扰与可能发生的系统部件故障，可以得到如下的机械臂全驱系统模型：
8、
9、其中，是外界未知干扰向量、f是系统部件故障信号，均满足范数有界；y是测量信号。
10、步骤2、拓展状态观测器设计
11、定义x1＝x、引入作为一个新的拓展状态变量。令是未知的，但合理地假设其范数有界，设计如下拓展状态观测器来估计机械臂系统的状态：
12、
13、其中，分别是x1、x2、x3的估计值；是估计误差；n2、n1、n0是待设计的观测器参数矩阵：
14、
15、其中，是一个常数非奇异矩阵；fn和zn为系统矩阵，fn用于决定观测器的闭环特征值，zn用于决定其特征向量，且zn对于任意的fn，其选取是完全自由的，这为拓展状态观测器的参数设计提供极大的自由度。
16、步骤3、滑模容错控制器设计
17、定义一个积分滑模面函数：
18、
19、控制器u设计为：
20、
21、其中，σ(t)是滑模面趋近律，采用指数趋近律的形式：
22、σ(t)＝γs(t)+ρsgn(s(t))
23、其中sgn()表示符号函数。通过调节两个正标量参数γ、ρ，确保机械臂系统状态能到达滑模面
24、m0和m1是滑模容错控制器中待设计的常数参数矩阵：
25、
26、其中，是一个常数非奇异矩阵；fm和zm为系统矩阵，fm用于决定系统的闭环特征值，影响系统的性能和稳定性，zm用于决定其特征向量，并且zm矩阵对于任意的矩阵fm，其选取是完全自由的。这为控制器的参数设计提供极大的自由度，可通过调整这些参数来实现并优化不同的性能要求。
27、本专利技术具有以下有益效果：
28、1、本方法根据机械臂在工作空间内的系统动力学方程，建立了一般的全驱系统模型，并在模型中增加了外界未知干扰和可能发生系统部件故障。考虑到系统中存在的部分不可测量状态，采用输出反馈控制的方法，设计了一个拓展状态观测器进行状态估计。
29、2、将全驱系统方法和滑模容错控制相结合，能直接针对全驱系统模型快速给出控制器形式，实现了闭环系统的全局收敛，不仅具有全驱系统方法对消掉开环非线性便于控制器设计的优势，建立期望的闭环系统，还有着滑模容错控制鲁棒性强的优点。
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1.一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，根据机械臂的动力学原理，建立机械臂系统动力学方程，其特征在于：在机械臂系统动力学方程的基础上考虑外界未知干扰与系统部件故障，建立机械臂的全驱系统模型；设计一个拓展状态观测器估计机械臂系统的不可测状态量；结合滑模容错控制设计机械臂的全驱系统模型的控制器。
2.如权利要求1所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：所述机械臂系统动力学方程为：
3.如权利要求1所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：设计如下拓展状态观测器来估计机械臂系统的状态：
4.如权利要求3所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：所述拓展状态观测器中：
5.如权利要求3所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：定义一个积分滑模面函数：
6.如权利要求5所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：所述滑模面趋近律采用指数趋近律的形式，即σ(t)＝γs(t)+ρsgn(s(t))，其中sgn()表示符号函数；
7.如权利要求5所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：所述积分滑模面函数中：
...【技术特征摘要】
1.一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，根据机械臂的动力学原理，建立机械臂系统动力学方程，其特征在于：在机械臂系统动力学方程的基础上考虑外界未知干扰与系统部件故障，建立机械臂的全驱系统模型；设计一个拓展状态观测器估计机械臂系统的不可测状态量；结合滑模容错控制设计机械臂的全驱系统模型的控制器。
2.如权利要求1所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：所述机械臂系统动力学方程为：
3.如权利要求1所述一种基于全驱系统方法的机械臂滑模容错控制方法，其特征在于：设计如下拓展状态观测器来估计机械臂系统的状态：
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