【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动化控制，特别涉及一种助力机器人轨迹跟踪控制方法、系统、设备及介质。
技术介绍
1、随着经济的发展与社会文明程度的提高，人们生产、生活对于电力需求的依赖性越来越高，对于供电的稳定性以及可靠性更加重视，配电网处于电力系统末端，是保证电力持续供给的关键环节，其可靠性在整个供电系统中占有非常重要的位置。配网带电作业是指在配电网络上采用的用户不停电对配电线路或设备进行测试、维修和施工的作业方式。传统的配网带电作业方式主要有绝缘杆作业法和绝缘手套作业法两类。绝缘手套作业法指作业人员使用斗臂车、绝缘梯、绝缘平台等绝缘承载工具与大地保持规定的安全距离，穿戴绝缘防护用具对带电体直接作业的方法，该方法存在短路风险且作业步骤繁琐。绝缘杆作业法不需要直接接触带电线路，有效降低了触电危害风险，但现有绝缘操作杆使用时有效绝缘长度要求不小于0.7m，实际现场需要1.5m甚至更6长，绝缘杆法作业时间在1~2小时左右，复杂类项目作业时间在2~3小时左右，作业人员不仅上肢需要长时间承受握举绝缘杆的负荷，下肢还需要维持身体在杆上支撑的不良受力姿势，长期作业可能导致肌肉骨骼损伤等慢性职业性伤害。
2、现有的适用于绝缘斗内及登杆带电作业典型场景的助力机器人是实现不接触带电作业并提高作业效率、减轻人体负荷的有效方法，带电作业助力机器人的主体结构是符合人体上肢的二自由度机器人结构，其在实现轨迹跟踪控制时，控制算法通常选用传统的pid控算法、滑膜控制算法等，这类控制算法物理实现较为简单、程序实现较为容易，在面对简单情况时精度较高，但是对于配网带电
技术实现思路
1、为了实现本专利技术的上述目的和其他优点，本专利技术的第一目的是提供一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：
2、构建助力机器人模型；
3、通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿，得到完整的系统动力学方程；
4、在完整的系统动力学方程的基础上，通过自适应鲁棒控制算法将系统的不确定参数的影响消除，并通过u-k方程进行精准控制；
5、所述在完整的系统动力学方程的基础上，通过自适应鲁棒控制算法将系统的不确定参数的影响消除，并通过u-k方程进行精准控制包括以下步骤：
6、对简化后的完整的系统动力学方程中的向量和矩阵进行分解，得到名义部分和不确定部分；
7、对于所述名义部分，使用u-k方程进行控制；
8、对于系统的轨迹误差，通过反馈力矩进行消除；
9、对于所述不确定部分，通过自适应鲁棒控制理论设计独立的控制力矩消除所述不确定部分对系统产生的影响。
10、进一步地，所述构建助力机器人模型包括以下步骤：
11、基于d-h参数法，得到外骨骼的机器人末端坐标系的位姿：
12、，
13、其中，为时间变量，为平面二自由度机器人的第一连杆的长度，和分别为平面二自由度机器人的第一连杆、第二连杆对应在世界坐标系内的转动角度；
14、通过所述外骨骼的机器人末端坐标系的位姿计算得到世界坐标系中机器人末端坐标系的速度雅可比矩阵：
15、，
16、通过所述速度雅可比矩阵计算系统的总动能：
17、，
18、其中，为平面二自由度机器人的第二连杆的长度，和分别为第一连杆、第二连杆对应的质量，为第一连杆与第二连杆之间的关节对应的质量，为助力机器人末端承受的负载质量；
19、通过所述位姿计算系统的总势能：
20、，
21、根据拉格朗日方程通过所述总动能和所述总势能推导出系统的动力学方程：
22、，
23、其中，
24、，
25、其中，为系统的广义惯性矩阵且是正定矩阵，为科氏力矢量，为重力矢量，为重力加速度，和分别为平面二自由度机器人的第一关节提供的关节力矩和第二关节提供的关节力矩。
26、进一步地，所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿包括以下步骤：
27、通过拉格朗日法以及人体关节运动的质量-弹簧-阻尼模型描述人体上肢动力学，如下式所示：
28、，
29、其中，和分别代表人体关节的位置、速度和加速度，为上肢的惯性矩阵，为上肢的科氏力，为上肢的重力矢量，为环境对上肢的作用力，为外力作用处的雅可比矩阵，为人体关节粘弹性产生的关节力矩，为上肢关节处肌肉收缩产生的作用力矩；
30、将系统的动力学方程与人体上肢动力学方程合并，得到完整的系统动力学方程：
31、。
32、进一步地，所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿还包括以下步骤：
33、将完整的系统动力学方程进行简化，用参数表示所有的未知量和不确定量，得到如下表达式：
34、，
35、其中，为人机间的未知交互力，为外骨骼关节电机提供的力矩，通过调节电机电流来控制。
36、进一步地，所述对简化后的完整的系统动力学方程中的向量和矩阵进行分解包括以下步骤：
37、将简化后的完整的系统动力学方程中的向量和矩阵分解为如下形式：
38、，
39、分解后的向量和矩阵为两部分，、、、是由确定参数组成的名义部分，、、是不确定部分；
40、令：，其中，为单位矩阵。
41、进一步地，所述对于所述名义部分，使用u-k方程进行控制包括以下步骤：
42、假设系统的约束方程有如下一阶、二阶表达形式：
43、，
44、，
45、其中，对于任意的，满秩，和存在逆矩阵；
46、对于名义部分，使用u-k方程进行控制：
47、，
48、其中，上标表示广义逆符号。
49、进一步地，所述反馈力矩为：
50、，
51、其中，为待设计的比例系数，且，常数矩阵，满足以下要求：
52、定义矩阵为下列式子：
53、，
54、对于，存在一个常数，使所有的满足：
55、。
56、进一步地，所述对于所述不确定部分，通过自适应鲁棒控制理论设计独立的控制力矩消除所述不确定部分对系统产生的影响包括以下步骤：
57、提出以下条件：
58、存在一个未知向量，与一个已知函数，针对所有的，，有如下不等式成立：
59、，
60、存在，有：，
61、得到泄露型自适应鲁棒控制器，控制力矩的表达式为：
62、，
63、依据泄露型自适应律求解参数：
64、，
65、其中，，为向量的第个参数，…，非负参数，用于抑制系统的不确定性。
66、进一步地，所述在完整的系统动力学方程的基础上，通过本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述构建助力机器人模型包括以下步骤：
3.如权利要求2所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿还包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对简化后的完整的系统动力学方程中的向量和矩阵进行分解包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对于所述名义部分，使用U-K方程进行控制包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述反馈力矩为：
8.如权利要求7所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对于所述不确定部分，通过自适应鲁棒控制理论设计独立
9.如权利要求8所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述在完整的系统动力学方程的基础上，通过自适应鲁棒控制算法将系统的不确定参数的影响消除，并通过U-K方程进行精准控制包括以下步骤：
10.一种助力机器人轨迹跟踪控制系统，实现如权利要求1~9任一项所述的方法，其特征在于：包括机器人执行端、下位机控制端、上位机操作端，所述上位机操作端与所述下位机控制端通讯连接，所述下位机控制端与所述机器人执行端通讯连接；
11.如权利要求10所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制系统，其特征在于：所述机器人执行端包括电机、编码器和碳纤维硬直杆件，所述电机、所述编码器与所述下位机控制端通信连接；
12.如权利要求10所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制系统，其特征在于：所述下位机控制端采用UDroid-C4机器人专用计算单元，所述UDroid-C4机器人专用计算单元包括Odriod-C4开发板和实时运动控制计算单元。
13.如权利要求10所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制系统，其特征在于：所述下位机控制端采用CAN通讯方式与所述机器人执行端连接。
14.如权利要求10所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制系统，其特征在于：所述上位机操作端采用串口通讯方式与所述下位机控制端通讯连接。
15.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器连接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现如权利要求1~9任一项所述的方法。
16.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如权利要求1~9任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述构建助力机器人模型包括以下步骤：
3.如权利要求2所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿包括以下步骤：
4.如权利要求3所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述通过人体上肢动力学方程对所述助力机器人模型进行补偿还包括以下步骤：
5.如权利要求4所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对简化后的完整的系统动力学方程中的向量和矩阵进行分解包括以下步骤：
6.如权利要求5所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对于所述名义部分，使用u-k方程进行控制包括以下步骤：
7.如权利要求6所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述反馈力矩为：
8.如权利要求7所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述对于所述不确定部分，通过自适应鲁棒控制理论设计独立的控制力矩消除所述不确定部分对系统产生的影响包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的一种助力机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述在完整的系统动力学方程的基础上，通过自适应鲁棒控制算法将系统的不确定参数的影响消除，并通过u-k方程进行精准控制包括以下步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：张名琦，刘斌，沙连森，张文彬，黄锟，史文青，姚兴亮，
申请(专利权)人：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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