[发明专利]基于滑模的机械臂安全轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明涉及一种基于滑模的机械臂安全轨迹跟踪控制方法。其包括如下步骤：步骤1、获取机械臂内每个关节当前相对应的角度、角速度以及输入力矩估计信息，以能计算得到机械臂内每个关节当前相对应的干扰力矩估计值；步骤2、确定轨迹缩放函数并根据所述轨迹缩放函数确定机械臂的轨迹插值时间，利用所述机械臂的轨迹插值时间，获得机械臂的实际跟踪轨迹；步骤3、将实际跟踪轨迹所对应的期望关节角度、角速度和角加速度输入滑模控制器，利用滑模控制器对机械臂进行轨迹跟踪控制，以实现机械臂在外部干扰作用下的高精度轨迹跟踪。本发明能提高位置跟踪精度，避免碰撞所造成的工作任务中断，安全可靠。

技术领域

本发明涉及一种控制方法，尤其是一种基于滑模的机械臂安全轨迹跟踪控制方法。

背景技术

近年来，人机交互型机器人被越来越多的应用于轻工装配、电子信息以及家庭服务等领域，而在这些人机共享工作空间的领域中，人机安全和工作效率成为最受关注的问题。机器人面临的挑战不仅是实时检测碰撞并采取相应的安全控制策略，还包括如何在不中断当前工作任务的前提下降低由碰撞所造成的伤害。

目前，机械手的安全控制方法主要包括：力控制、阻抗控制两种方法。力控制主要包括零力控制和反射控制，这两种算法都可以实现在碰撞发生的瞬间逃离碰撞区域，但是会脱离原始运动轨迹，导致工作任务的不必要中断，并且机械臂在逃离碰撞区域的过程中，可能会因偏离离线规划的无碰撞路径造成与周围静态障碍物的二次碰撞。相比于力控制，阻抗控制通过建立力与位置的关系，使机械臂呈现出所需的刚性和阻尼从而实现柔顺功能，并且在碰撞结束后可以回到名义路径上，但是阻抗控制降低了位置控制的精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于滑模的机械臂安全轨迹跟踪控制方法，其能提高位置跟踪精度，避免造成工作任务中断，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，一种基于滑模的机械臂安全轨迹跟踪控制方法，所述机械臂安全轨迹跟踪控制方法包括如下步骤：

步骤1、获取机械臂内每个关节当前相对应的角度、角速度以及输入力矩估计信息，以能计算得到机械臂内每个关节当前相对应的干扰力矩估计值；

步骤2、将机械臂内每个关节相对应的干扰力矩估计值以及期望角速度作为自变量，确定轨迹缩放函数并根据所述轨迹缩放函数确定机械臂的轨迹插值时间，利用所述机械臂的轨迹插值时间，获得机械臂的实际跟踪轨迹；

步骤3、将实际跟踪轨迹所对应的期望关节角度、角速度和角加速度输入滑模控制器，利用滑模控制器对机械臂进行轨迹跟踪控制，以实现机械臂在外部干扰作用下的高精度轨迹跟踪。

步骤1中，利用广义动量观测器计算得到每个关节当前的干扰力矩估计值，机械臂内具有n个关节时，n个关节当前的干扰估计值构成干扰力矩估计向量r，

其中，p(t)为广义角动量，M(q)∈R^n×n为正定惯性矩阵，q为关节角度向量，为关节角速度向量，是向心力与哥氏力项，g(q)∈Rⁿ为重力矩向量，是关节输入力矩估计向量，K是动量观测器的调节系数，t为机械臂当前的运行时间。

关节输入力矩估计向量内包括n个关节的输入力矩估计信息，任一关节的输入力矩估计信息其中，I_im为第i个关节的电机输出电流，β_m为电流转化为力矩的相关系数，λ为关节电机到输出连杆间减速器的传动比。

步骤2中，轨迹缩放函数为：

其中，ξ∈[0,0.3]为调节参数，为轨迹缩放函数的自变量，r为干扰力矩估计向量，是(t-Δt)时刻期望关节角速度向量，τ_max∈Rⁿ为机械臂内各个关节相对应的最大输出力矩构成的关节最大力矩向量，为将机械臂内各个关节的干扰力矩估计值除以其对应关节的最大输出力矩，为的二范数，ε是用于调整整体扰动灵敏度的常数。