本發(fā)明屬于機器人系統(tǒng)控制，更具體地，涉及一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂由一系列剛性連桿連接而成，利用繩索傳動模擬生物肌腱驅(qū)動效果。其驅(qū)動力大，自由度多，可靠性高，可實現(xiàn)伸縮、側(cè)擺、起伏、直線運動、側(cè)向運動等運動，運動靈活，工作空間大，可以搭載設(shè)備深入狹窄密閉的環(huán)境中執(zhí)行操作任務(wù)，其應(yīng)用潛力巨大，因此受到了廣泛的關(guān)注。

2、然而，其繩驅(qū)超冗余的結(jié)構(gòu)使得運動控制變得十分復(fù)雜。在機器人動力學(xué)控制領(lǐng)域中，重力、科里奧利、摩擦和其他擾動的非線性項給機械臂的運動控制帶來極大挑戰(zhàn)。幾十年來，人們對基于模型的控制器進行了研究，其性能也得到了很好的證明。然而，機械臂動力學(xué)參數(shù)識別是一項非常復(fù)雜且困難的任務(wù)，并且機器人模型復(fù)雜度隨著估計的模型參數(shù)數(shù)量的增加而顯著增加，這一點在繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂上尤為突出。

3、基于時延估計(tde)的控制方案以有效處理具有外部干擾和模型不確定性的高度非線性和復(fù)雜系統(tǒng)而聞名，由于簡單、高效、魯棒性等優(yōu)點，其在機器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。實際應(yīng)用表明，系統(tǒng)越復(fù)雜、越不確定，tde技術(shù)的實際效果越明顯。然而，傳統(tǒng)tde的性能受到系統(tǒng)時延樣本的限制，當(dāng)間斷性干擾或不確定性存在時，很難找到一個合適的時延估計增益，導(dǎo)致時延估計的誤差增大。因此，需要一種可靠、易于實現(xiàn)的方法解決該tde應(yīng)用中的問題，實現(xiàn)機械臂在瞬時擾動的情況下的穩(wěn)定運動控制，同時具有較快的收斂速度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及產(chǎn)品，其目的在于，實現(xiàn)機械臂在瞬時擾動情況下的穩(wěn)定運動控制，提升繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂的運動控制效果。

2、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提出了一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，包括如下步驟：

3、基于如下控制律進行繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制：

4、

5、其中，為τk的估計值，τk表示k時刻關(guān)節(jié)力矩向量，uk為控制輸入，為常數(shù)對角矩陣，n為機械臂自由度；

6、為使用自適應(yīng)增益計算得到的時延估計：

7、

8、其中，δk為用于自適應(yīng)調(diào)整梯度效果的對角矩陣，nk-1表示nk前一時刻的值，nk-2表示nk-1前一時刻的值，nk-3表示nk-2前一時刻的值；nk為動力學(xué)模型擾動項，計算式為為機械臂關(guān)節(jié)的加速度。

9、作為進一步優(yōu)選的，基于非奇異終端滑模面確定控制輸入uk。

10、作為進一步優(yōu)選的，非奇異終端滑模面設(shè)計如下：

11、

12、其中，sk為滑模變量，ek為機械臂關(guān)節(jié)位置跟蹤誤差向量，為機械臂關(guān)節(jié)速度跟蹤誤差向量，β為正常數(shù)對角矩陣，p和q為正奇數(shù)對角矩陣，且p中第m個元素pm,k與q中第m個元素qm,k滿足1＜pm,k/qm,k＜2，m＝1,2…n；

13、滑模趨近律設(shè)計如下：

14、

15、其中，k和ε為正常數(shù)切換增益矩陣，sgn為符號函數(shù)。

16、作為進一步優(yōu)選的，控制輸入uk的計算式如下：

17、

18、其中，為機械臂關(guān)節(jié)期望角加速度向量，i為單位矩陣。

19、作為進一步優(yōu)選的，繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂的控制律如下：

20、

21、

22、其中，為等效控制項，為切換控制項。

23、作為進一步優(yōu)選的，對角矩陣δk通過滑模變量sk計算得到：

24、

25、其中，δm,k為對角矩陣δk的第m個元素，sm,k為滑模變量sk的第m個元素，為sm,k的導(dǎo)數(shù)，αm與γm為正增益常數(shù)，為非負常數(shù)。

26、作為進一步優(yōu)選的，常數(shù)對角矩陣滿足如下穩(wěn)定性條件：

27、

28、其中，m(qk)為機械臂的慣性矩陣，qk為機械臂關(guān)節(jié)的位置，∥·∥表示范數(shù)，i為單位矩陣。

29、按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制系統(tǒng)，包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行上述考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

30、按照本發(fā)明的第三方面，提供了一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

31、按照本發(fā)明的第四方面，提供了一種計算機程序產(chǎn)品，其包括計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

32、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：

33、1、相較于傳統(tǒng)時延估計控制，本發(fā)明使用多時延樣本進行時延估計以降低瞬時擾動帶來的估計突變，并使用自適應(yīng)增益計算時延估計，從而獲得更精準、更穩(wěn)定的估計效果。本發(fā)明基于時延估計的控制方法無需精確模型、精度高、魯棒性好，從而進一步提升了繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂的軌跡跟蹤效果和作業(yè)性能，可滿足繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂關(guān)節(jié)運動控制的需求，并適于在工程實際應(yīng)用中實現(xiàn)。

34、2、本發(fā)明采用了非奇異終端滑?？刂疲谔岣呤諗克俣鹊耐瑫r保證了良好的跟蹤能力與控制穩(wěn)定性，并容易移植到現(xiàn)有的時延估計控制中。

技術(shù)特征：

1.一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，基于非奇異終端滑模面確定控制輸入uk。

3.如權(quán)利要求2所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，非奇異終端滑模面設(shè)計如下：

4.如權(quán)利要求3所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，控制輸入uk的計算式如下：

5.如權(quán)利要求4所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂的控制律如下：

6.如權(quán)利要求3所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，對角矩陣δk通過滑模變量sk計算得到：

7.如權(quán)利要求1-6任一項所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法，其特征在于，常數(shù)對角矩陣滿足如下穩(wěn)定性條件：

8.一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-7任一項所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

9.一種計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，其特征在于，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

10.一種計算機程序產(chǎn)品，其特征在于，包括計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項所述的考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機器人系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，并具體公開了一種考慮時延的繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂運動控制方法、系統(tǒng)、介質(zhì)及產(chǎn)品，包括：在進行時延估計時，基于多時延樣本設(shè)計時延估計項，并通過自適應(yīng)增益調(diào)整時延估計；即不僅考慮了多樣本延遲信號，而且考慮了具有自適應(yīng)增益的梯度，該具有自適應(yīng)增益的時延估計可補償動力學(xué)模型，提供穩(wěn)定的扭矩輸入，同時設(shè)計非奇異終端滑模面用來加快收斂速度，在存在瞬時干擾的情況下，如摩擦、有效載荷或軌跡變化等情況，也可以實現(xiàn)精確的控制。本發(fā)明提出的基于時延估計的控制方法無需精確模型、精度高、魯棒性好，提升了繩驅(qū)多關(guān)節(jié)機械臂的軌跡跟蹤效果和作業(yè)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：謝遠龍,周開來,王書亭,李虎,張鴻洋
受保護的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2