一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法技术

技术编号：40595069 阅读：4 留言：0更新日期：2024-03-12 21:57

本申请涉及一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，所述方法包括：建立机械臂工作空间直角坐标系，将工作空间直角坐标系转化为关节角坐标系；建立机械臂受约束的机械臂系统动力学方程；建立机械臂在外界干扰环境中的数学模型；设定理想速度，并定义轨迹误差变量；依据轨迹误差变量设计系统滑模函数；根据前述的滑模函数和机械臂数学模型构建一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制器，实现基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法。本发明专利技术提高了控制器的控制精度，加快了系统的响应速度。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了一种基于固定时间多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，涉及机械臂轨迹跟踪编程控制，属于机器人控制。

技术介绍

1、目前，机器人控制技术是新兴技术的重要载体和现代产业的关键装备，不断培养孕育新出产业和新模式，未来十年甚至更长的一段时间里，是我国机器人产业蓬勃发展的一个时期，必须抓住机会，面对挑战，解决各种各样的技术问题，推动机器人产业。

2、机械臂在工业生产和日常工作时，安全性和柔顺性是两项非常重要的性能指标，安全性和柔顺性不达标，会导致机械臂的损坏和工作人员的受伤。由于机械臂阻抗控制具有可以提高机械臂在工作中的安全性和稳定性等优点，越来越多地被应用到工业生产、医疗卫生等复杂的环境中。因此，研究一种基于固定时间多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，使得机器人具有更高的安全性和稳定性，具有重要现实意义和技术价值。

技术实现思路

1、为了解决机械臂工作时安全性和柔顺性低的问题，本专利技术提出了一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法。运用阻抗控制技术来控制机械臂遇到障碍物之后的位置变化；利用固定时间控制技术提高系统的稳定性和收敛性，使得机械臂在阻抗控制中的误差更小和系统收敛速度更快。

2、为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案为：

3、一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，包括以下步骤：

4、(1)建立机械臂工作空间直角坐标系，将直角坐标转化为关节角坐标；

5、(2)建立机械臂受约束的机械臂系统动力学方程；</p>

6、(3)建立机械臂在外界干扰环境中的数学模型；

7、(4)设定理想速度，并定义轨迹误差变量；根据轨迹误差变量设计系统滑模函数；

8、(5)根据前述的滑模函数和机械臂数学模型构建基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制器，实现基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法。

9、在步骤(1)中，首先建立一个工作空间直角坐标系，然后将工作空间直角坐标系转化为关节角坐标：

10、以二自由度机械臂为例，根据机械臂末端端点在工作空间中的位置获得关节角度q1和q2，进而求得关节角坐标x1和x2：

11、x1＝l1 cosq1+l2 cos(q1+q2)

12、x2＝l1 sinq1+l2 sin(q1+q2)

13、其中，q1和q2是机械臂末端顶点在工作空间中位置的关节角度，x1和x2是转化后的关节角坐标，l1和l2是两个机械臂的长度。

14、在步骤(2)中，机械臂受约束的的动力学方程如下：

15、

16、其中，xi为接触位置的指令轨迹，x为实际运动轨迹，mm、bm和km分别为质量，阻尼和刚度系数矩阵。o为障碍物对机械臂末端造成的接触力，是对机械臂的一种约束，参数上方的一点和两点表示该参数的一阶微分和二阶微分。

17、进一步的，在步骤(3)中，外界干扰环境中机械臂的数学模型如下：

18、

19、其中，dx(q)为机械臂惯性矩阵，为机械臂离心力和coriolis矩阵，gx(q)为机械臂重力项向量，o为障碍物对机械臂末端造成的接触力，γ为机械臂受到的外界干扰项，q为机械臂的角度向量，z为控制器。

20、进一步的，步骤(4)中，设定理想速度，并定义轨迹误差变量，轨迹误差变量设计系统滑模函数。

21、将xh设置为工作空间中的理想位置，为理想的速度，x为机械臂末端的实际位置，为实际速度，e为理想位置减去实际位置的误差，是e的一阶微分，xj为辅助变量，为xj的一阶微分，s为滑模函数，▽设计为一个正定矩阵。

22、

23、在步骤(5)中，根据前述的滑模函数和机械臂数学模型构建基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制器如下：

24、

25、其中，式子中的系数n＞0,d＞0,0＜α＜1,β＞1,p＞0，z为控制器，sgn是一个标准的数学符号函数，o为机械臂末端接触力，控制器中包含滑模函数s的β、α和1等多幂次项，较传统方法控制精度更高及响应速度更快。

26、采用上述技术方案带来的有益效果：

27、本专利技术设计了一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制器，实现了机械臂对期望指定轨迹的有效跟踪控制，并使得机械臂在设定的约束工作空间里跟踪理想轨迹时的误差变小而系统响应速度变快。本专利技术将机械臂的运动轨迹约束在给定的区间之内，确保了机械臂在工作时的稳定性和安全性，本专利技术所提出的技术方法可以有效提高控制精度，增强系统鲁棒性，减少系统收敛时间，使得机械臂在进行阻抗控制时可以更接近我们给定的理想轨迹。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(1)中，以二自由度机械臂为例，根据机械臂末端端点在工作空间中的位置获得关节角度q1和q2，进而求得关节角坐标x1和x2：

3.根据权利要求2所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(2)中机械臂受约束的动力学方程如下：

4.根据权利要求3所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，外界干扰环境中的机械臂的数学模型如下：

5.根据权利要求4所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，设定理想速度，并定义轨迹误差变量，轨迹误差变量设计系统滑模函数。

6.根据权利要求5所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(5)中，基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制器如下：

【技术特征摘要】

1.一种基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述基于固定时间的多幂次滑模机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在步骤(2)中机械臂受约束的动力学方程如下：

4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志浩，蔡军，印帅，许学龙，何坚强，高直，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人