采用位置測量的可重構(gòu)機械臂分散控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種僅采用位置測量的可重構(gòu)機械臂分散控制系統(tǒng)及控制方法，屬于 機器人控制系統(tǒng)及控制算法領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 可重構(gòu)機械臂是一類具有標(biāo)準(zhǔn)模塊與接口，且可W根據(jù)不同的任務(wù)需求對自身構(gòu) 形進(jìn)行重新組合與配置的機械臂?？芍貥?gòu)機械臂的關(guān)節(jié)模塊包含了驅(qū)動、控制、傳感等單 元，可W使機械臂根據(jù)任務(wù)需要改變自身構(gòu)形，使重構(gòu)后的機械臂能夠?qū)π碌墓ぷ鳝h(huán)境有 更好的適應(yīng)性。一般來說，可重構(gòu)機械臂可W生成的構(gòu)形數(shù)量取決于關(guān)節(jié)模塊與連桿模塊 的類型，自由度，W及接口數(shù)量等等，通過對模塊的重新配置來實現(xiàn)多種不同的裝配構(gòu)形， 并提供不同的輸出功率，從而表現(xiàn)出許多傳統(tǒng)機械臂所不具有的優(yōu)勢，例如：可W通過構(gòu)形 重構(gòu)，添加或減少模塊來實現(xiàn)機械臂的結(jié)構(gòu)柔性；為新型機械臂產(chǎn)品的開發(fā)提供一個低成 本高效率的測試平臺，W此鼓勵和推動新技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展；縮短新技術(shù)的研發(fā)周期，并從 長遠(yuǎn)角度降低新型機械臂的研發(fā)，測試和維護成本。
[0003] 在機械臂控制器設(shè)計中，所需的關(guān)節(jié)位置變量可W由編碼器精確測得，而所需的 關(guān)節(jié)速度通常需要使用速度計來測量，運些速度測量值含有大量噪聲，會嚴(yán)重影響控制器 的性能與精度。為了解決運個問題，一些學(xué)者構(gòu)建了不同形式的速度觀測器，并采用觀測器 的輸出狀態(tài)值設(shè)計反饋控制器。然而，傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)速度觀測器需要已知機器人完整的動力 學(xué)模型信息，使得控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。因此，在僅采用位置測量的情況下對關(guān)節(jié)速度進(jìn) 行觀測是該研究領(lǐng)域亟待解決的問題。
[0004] 為了獲得良好的控制精度，關(guān)節(jié)力矩反饋技術(shù)被廣泛應(yīng)用在機械臂控制系統(tǒng)當(dāng) 中。傳統(tǒng)方法是在機械臂末端加裝力矩傳感器來測量關(guān)節(jié)力矩，然而，對于可重構(gòu)機械臂來 說，安裝關(guān)節(jié)力矩傳感器會損害其可靠性與堅固性，并使模塊結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。一方面，用來 測量關(guān)節(jié)力矩的應(yīng)變計易受溫度變化影響；另一方面，采用直接關(guān)節(jié)力矩測量進(jìn)行可重構(gòu) 機械臂動力學(xué)補償必然會產(chǎn)生關(guān)節(jié)力矩或其時間導(dǎo)數(shù)的代數(shù)環(huán)，使系統(tǒng)更容易受到未建模 不確定性及擾動的影響，從而使控制器產(chǎn)生明顯的抖振效應(yīng)。因此，在無力/力矩傳感器 且存在模型不確定性的條件下，僅采用位置測量信息設(shè)計力矩觀測器對機械臂力矩進(jìn)行觀 ，是實現(xiàn)可重構(gòu)機械臂精確控制的重要前提。
[0005] 為了保證可重構(gòu)機械臂在重構(gòu)后具有良好的穩(wěn)定性與精確性，在設(shè)計控制器時， 需要考慮控制系統(tǒng)的兼容性與可重構(gòu)性，即在不改變控制參數(shù)的情況下，使控制器對于不 同的機械臂構(gòu)形均具有良好的控制性能。為了滿足上述要求，傳統(tǒng)的集中控制方法需要消 耗大量的運算資源，當(dāng)機械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時，控制器的穩(wěn)定性與可靠性難W保證。
[0006] 綜上所述，在僅采用位置測量的情況下設(shè)計速度觀測器、力矩觀測器及符合模塊 化設(shè)計思想、復(fù)雜程度低、運算速度快、具有抖振抑制能力且對可重構(gòu)機械臂模型不確定性 具有較強辨識與補償能力的控制系統(tǒng)及其方法是十分必要的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決傳統(tǒng)的可重構(gòu)機械臂控制系統(tǒng)及其方法中存在的諸多問題，本發(fā)明提出 的一種采用位置測量的可重構(gòu)機械臂分散控制系統(tǒng)及控制方法。
[000引本發(fā)明解決技術(shù)問題的方案是：
[0009] 采用位置測量的可重構(gòu)機械臂分散控制系統(tǒng)，其特征是，包括增量式編碼器、直流 電機、諧波減速器、剛性禪合元件和連桿；所述增量式編碼器安裝在直流電機前端，用來測 量電機的位置變量；所述直流電機作為系統(tǒng)的驅(qū)動裝置，與諧波減速器相連接；所述諧波 減速器作為系統(tǒng)的減速裝置，實現(xiàn)減速及放大力矩的作用；所述剛性禪合元件安裝諧波減 速器后，與連桿相連接，用來增強系統(tǒng)的連接強度。
[0010] 采用位置測量的可重構(gòu)機械臂分散控制方法，其特征是，該方法包括如下步驟：
[0011] 步驟一，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，檢測增量式編碼器讀數(shù)，得到位置測量信息，并基于該 信息建立非線性速度觀測器如下：
Il
[0013] 上式中，0i(t)為實際關(guān)節(jié)位置測量值，4(/).4:(/.)分別為關(guān)節(jié)位置與速度的觀測 值，g(，）為基于反雙曲正弦函數(shù)構(gòu)建的非線性函數(shù)。通過觀測器的輸出得到口 ">， 即采用位置測量的情況下得到關(guān)節(jié)速度；
[0014] 步驟二，根據(jù)步驟一建立的非線性速度觀測器，建立擾動觀測模型如下：
[001引（'/,-("= I + (廠))加+ (乂。+ 1)(,.',([)-林+ ])(,,(H) JO J G
[0016] 其中,CO為系統(tǒng)擾動觀測值，A。，Al為正參數(shù)增益，S即（?）為標(biāo)準(zhǔn)符號函數(shù)， Gu(O),e"(T)分別為初始時刻與T時刻的速度觀測誤差，0《T《t;根據(jù)擾動觀測模 型，建立力矩觀測器如下：
(12)
[001引其中，§為關(guān)節(jié)力矩觀測值，y為電機摩擦系數(shù)，Im為電機轉(zhuǎn)動慣量，丫為傳動 比，
為等效粘滯系數(shù)；
[0019] 步驟=，采用步驟一、步驟二中得到關(guān)節(jié)速度及關(guān)節(jié)力矩的觀測值，建立可重構(gòu)機 械臂系統(tǒng)動力學(xué)模型，給出模型不確定性的解析表達(dá)形式；
[0020] 可重構(gòu)機械臂第i個關(guān)節(jié)動力學(xué)模型建立如下
(1巧
[002引其中，Imi為電機的轉(zhuǎn)動慣量，6；，弓分別為關(guān)節(jié)位置及加速度變量，^ = 為速 度觀測器的速度觀測值，Ui為電機輸出力矩，
為關(guān) 節(jié)間動力學(xué)禪合項，Zm與Ze分別為電機與關(guān)節(jié)的軸向單位向量，為關(guān)節(jié)摩擦； [002引令A(yù)-=[.v,i，A-,.J' =[6；.4]''，/二1，2,…，"，則式（13)可W變形為如下的狀態(tài)方程
M"
[002引其中，Xi,Yi分別為Si的狀態(tài)向量與輸出變量， 占=化"義-)-Ie披+，、P,你4)、巧你4)、月,(。，是苗)分別定義為
(16);
[0029] 步驟四，通過步驟一、步驟二及步驟=中給出的關(guān)節(jié)速度觀測器、力矩觀測器、期 望動力學(xué)信息及系統(tǒng)動力學(xué)模型，采用局部關(guān)節(jié)的動力學(xué)信息設(shè)計分散控制器，對包含模 型確定項、摩擦力建模誤差及關(guān)節(jié)間禪合項進(jìn)行補償，抑制控制器抖振并使機械臂關(guān)節(jié)精 確跟蹤期望軌跡；
[0030] 首先，根據(jù)分散控制律形式，判斷模型確定項是否得到補償，若否，則帶入控制律 Ui。補償模型確定項；
(碼
[00礎(chǔ)其中，馬;，充，充J;,為一般摩擦力常數(shù)，4為關(guān)節(jié)速度觀測值，為為積分滑模函 數(shù)的導(dǎo)數(shù)，4的為關(guān)節(jié)期望軌跡的二階導(dǎo)數(shù)，ki為正常數(shù)增益，如O為關(guān)節(jié)位置誤差， 與耗）、g城）分別為關(guān)節(jié)初始位置誤差的一階、二階導(dǎo)數(shù)；
[0033]其次，若模型確定項已通過Ui。補償，則判斷摩擦力建模誤差是否得到補償，若否， 則帶入控制律Uii補償摩擦力建模誤差；
[0034]W社=如+巧4)掉+4) (24)
[00巧]其中，F(xiàn)(為）為摩擦力模型項，如、2I、為摩擦力建模誤差補償控制律；
[0036] 第S，若摩擦力建模誤差已通過Uii補償，則帶入控制律U12補償關(guān)節(jié)間禪合項 /?,(代每資)，控制律Ui2設(shè)計如下：
[0037] =片(0終（.S',.) +fA',，（/媒:（.V, )"7、 (321 \ ' .VI). J
[003引其中，d)ii(Si)、4)。柄）為已知正定函數(shù)，Kii(t)、Ki2(t)為可變增益函數(shù)；
[0039] 合并式（23)、（24)和（32)得到本發(fā)明提出的分散控制器Ui如下：
(34)
[0041] 最后，判斷系統(tǒng)是否達(dá)到最大運行時間，若是，則輸出結(jié)果并結(jié)束，若否則進(jìn)入循 環(huán)步驟一。
[0042] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0043] 1、本發(fā)明所述的可重構(gòu)機械臂較傳統(tǒng)機械臂相比，具有高減速比、體積小、質(zhì)量 輕、同軸裝配等優(yōu)點，且具有較大的負(fù)載能力。
[0044] 2、本發(fā)明在僅采用位置測量且存在模型不確定性的條件下實現(xiàn)了可重構(gòu)機械臂 的高精度控制，在提