【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械臂轨迹跟踪控制领域，特别涉及一种基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、工业机器人集机械、电子、控制等多种先进技术于一体，是现代制造业中重要的自动化装备，已成为自动化工厂、柔性制造系统、计算机集成制造系统中广泛使用的自动化工具。随着现代工业对机器人智能化要求的不断提高，工业机械臂由于其结构简单同时具备灵巧和低能耗的特性，被大量应用于各行各业中。多自由度机械臂作为工业领域中应用最广泛的工业机器人，其不仅可以代替人类完成重复枯燥的任务，比如装配、喷涂、分拣等；还能在恶劣危险的环境中从事一些难度较大的工作，如水下、太空、放射性环境中。多自由度机械臂是一个高阶、非线性、强耦合的复杂多输入多输出系统，其参数不确定性、外部干扰等因素都会给系统的控制性能造成影响，且日趋复杂的控制任务对机械臂的时间精度和跟踪精度有很高的要求，因此工业机械臂系统与高精度控制方法相结合的跟踪控制技术得到了广泛的关注和研究。七自由度机械臂是一个非线性极强的冗余系统，由于其具有与人类手臂同样的关节自由度和相似的结构，具有高度的灵活性和精度，可以完成更复杂的任务，被广泛应用于可以代替人类手臂的工作环境中，比如医疗正骨机器人、手术机器人和精密切割等高精度领域。
2、高阶全驱系统方法是控制系统的一种描述形式，是面向控制设计的系统模型，其物理特征是每个自由度都受直接的驱动作用，比如机械臂的每个关节都有电机控制，卫星的每个旋转方向上都有飞轮控制，也就是控制变量完对应状态变量。高阶全驱系统的直接参数化设计方法，是适当选取
3、七自由度机械臂动力学本身就是二阶全驱形式，同时也是高度非线性、强耦合的复杂冗余动力学系统，传统的控制方法多是无模型的方法，比如pid、pd控制，这类控制方法不依赖于系统模型，但是想要达到更高的控制精度则需要大量的时间进行参数整定；而依赖于模型的控制方法一般都采用一阶状态空间方程模型作为研究对象，控制精度能够满足系统要求，但由于七自由度机械臂动力学模型的复杂性，该类方法所得到的控制律会十分复杂，且不一定能完全消除系统的不确定性，未必能达到较好的控制效果。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，对其模型的参数不确定性以及外界环境的干扰，设计扩张状态观测器观测系统的集总扰动，将其补偿到控制器中，并进行仿真验证，实现关节角度在既定轨迹下的有效跟踪，保证七自由度机械臂轨迹跟踪控制的控制精度、稳定性和快速性。本专利技术选择在高阶全驱系统模型下进行七自由度机械臂的轨迹跟踪控制，通过高阶全驱方法将系统的非线性项抵消，得到控制律将其转化为线性定常闭环系统，从而直接得到控制律，不仅省去了将其化为一阶状态空间方程的复杂步骤，而且仿真验证得到较好的控制效果。
2、为实现上述目的，本专利技术公开了如下技术方案：
3、具体地，本专利技术提供一种基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其包括如下步骤：
4、s1、确定七自由度机械臂的系统模型，给定机械臂的期望轨迹信息，期望轨迹信息包括机械臂各关节期望角位置的信息；
5、s2、建立七自由度机械臂的动力学模型，确定标称部分以及集总扰动d；得到机械臂系统的集总扰动d的模型如下：
6、
7、其中，δm(q)、和δg(q)分别对应动力学参数的不确定性部分；τd为待控制单元各个关节受到的外部扰动；
8、s3、构建三阶扩张状态观测器并对建模不确定性和系统内外干扰进行估计，具体包括以下子步骤：
9、s31、构建扩张状态观测器的二阶系统：
10、
11、其中，x1为系统状态，x2为x1的导数，f为已知平滑函数，b为对控制输入有影响的平滑函数，u为控制输入，d表示集总扰动；
12、s32、构建三阶扩张状态观测器：通过引入对集总扰动d的估计值将二阶系统扩展为状态x3构建三阶扩张状态观测器，定义且θ有界，将其自由度机械臂的状态空间形式描述如下：
13、
14、构建三阶扩张状态观测器如下：
15、
16、其中，x＝[x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7]t表示状态向量，u＝[τ1 τ2 τ3 τ4 τ5 τ6 τ7]t表示控制输入，分别为状态x1、x2、x3的观测值，为观测器的状态观测误差，β1、β2、β3分别为观测器增益向量，由带宽决定并影响观测误差的收敛速度；m0、g0、c0分别为待控制单元的标称惯性矩阵、重力矩阵以及标称科氏力矩阵；
17、s33、确定观测器增益如下：
18、
19、其中，ω0为观测器带宽的正实数；
20、s4、构建高阶全驱系统控制器，将三阶扩张状态观测器观测的集总扰动d的估计值补偿到控制器中；将七自由度机械臂的动力学模型转化为高阶全驱形式并得到自适应跟踪控制律，之后得到轨迹跟踪控制器并进行参数化设计；得到轨迹跟踪控制器具体包括以下子步骤：
21、s41、将机械臂动力学模型转化为高阶全驱系统模型：
22、
23、s42、得到轨迹跟踪控制器为：
24、
25、s5、将轨迹跟踪控制器应用于七自由度机械臂，并进行仿真验证，实现关节角度的跟踪。
26、优选地，所述步骤s2具体包括以下步骤：
27、s21、建立七自由度机械臂动力学模型，如下所示：
28、
29、式中，m(q)∈r7×7表示系统惯性矩阵，表示离心力和哥氏力项，g(q)∈r7表示重力项，τ＝[τ1,τ2,…,τ7]t表示关节力矩，q＝[q1,q2,…,q7]t为关节转角向量，为关节角速度，为关节角加速度，d表示系统参数的不确定性和外界干扰合成的集总扰动；
30、s22、将系统参数的不确定性表示为：
31、
32、s23、将七自由度机械臂动力学模型变化为常规动力学模型，如下所示：
33、
34、其中，m(q)、和g(q)分别对应动力学参数的标称部分，δm(q)、和δg(q)分别对应动力学参数的不确定性部分；
35、s24、得到机械臂系统的集总扰动d的模型如下：
36、
37、优选地，步骤s4中参数化设计具体步骤为：
38、选择一个负对角元素的矩阵f，
39、
40、其中，a和b是两个正标量；
41、选择任意参数矩阵z，
42、z＝[1 1]
43、得到，
44、
45、满足：
46、det v(z,f)≠0
47、得到参数矩阵
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1.一种基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：其包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S2具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S4中参数化设计具体步骤为：
4.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S41具体包括以下子步骤：
5.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S42具体包括以下子步骤：
6.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S5中通过Matlab/Simulink编写控制器程序进行仿真验证。
【技术特征摘要】
1.一种基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：其包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s2具体包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于高阶全驱系统方法的七自由度机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s4中参数化设计具体步骤为：
4.根据权利要求1所述的基于高...
【专利技术属性】
技术研发人员：张亚辉，刘艳玲，张佳龙，谭朝，徐海林，芦浩，李贵成，孙迎兵，文桂林，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：
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