[发明专利]一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法

权利要求书

1.一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立环境的动力学模型，由环境的动力学模型和预先给定的期望力f_d得到力跟踪偏差e_f；

根据阻抗模型和力跟踪偏差e_f，建立力跟踪偏差的微分方程；

根据力跟踪偏差的微分方程获得状态空间方程；

在状态空间方程下，利用反步法结合自适应神经网络，得到环境未知时的位置二次修正律Δx_f；

计算笛卡尔空间中的柔顺位置x_c，x_c＝x_d+x_f+Δx_f，其中，x_d为期望轨迹，x_f为由阻抗模型得到的位置修正量；

步骤二、通过运动学反解，将步骤一中得到的x_c转换成关节空间的柔顺角位置q_c；

步骤三、考虑到机械臂的动力学模型存在不确定性以及关节电机输出力矩的饱和特性，设计力矩层面上的位置跟踪控制器，并在位置跟踪控制器中引入自适应神经网络和辅助系统，得到跟踪柔顺角位置q_c所需要的控制力矩τ；

步骤四、建立关节电机的动力学模型，并通过关节电机的力矩常数K_T将所需的控制力矩τ转换成期望电流i_d；根据实际电流大小与期望电流大小的偏差，定义出电流跟踪偏差e_i；设计电流跟踪控制器，在电流跟踪控制器中利用自适应神经网络来逼近关节电机的动力学模型，进而得到应当施加在各个关节电机上的控制电压u。

2.根据权利要求1所述的一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，其特征在于，步骤一中，

其中，k_a2是大于零的系数，x_a1、x_a2分别是力跟踪偏差及力跟踪偏差的变化率，z_a1＝x_a1，z_a1是实际力跟踪偏差与期望的力跟踪偏差之间的差值，期望的力跟踪偏差总是为0，α_a1＝-k_a1z_a1是二次修正律中选定的虚拟控制律，k_a1是大于零的系数，z_a2＝x_a2-α_a1，z_a2表示力跟踪偏差的变化率与虚拟控制律的差值，x_d是给定的期望轨迹，设定神经网络含有m个隐含层节点，是对二次修正律中自适应神经网络的最优权值的估计值，是的导数，表示径向基函数的值；表示二次修正律中自适应神经网络的输入，k_r是大于零的鲁棒项系数，是α_a1的导数，上标T表示转置，表示m维列向量，Γ₁、σ₁分别是二次修正律中神经网络权重更新律的正定对角矩阵和正定系数。

3.根据权利要求2所述的一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，其特征在于，步骤三中，

其中，J(q)为非奇异雅克比矩阵，F_e表示机械臂末端受到的外力，e₁是关节空间中实际角位置与柔顺角位置的差值，e₂表示关节空间中实际角速度与给定虚拟控制律之间的差值，是对位置跟踪控制器中自适应神经网络的最优权值W₂^*的估计值，S(Z₂)为位置跟踪控制器中自适应神经网络的径向基函数的值，K_b2是正系数，ζ是定义的辅助系统中的状态变量，Z₂是位置跟踪控制器中自适应神经网络的输入；

为的导数，Γ₂、σ₂分别是位置跟踪控制器中神经网络权重更新律的正定对角矩阵和正定系数。

4.根据权利要求2所述的一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，其特征在于，步骤四中，

其中，表示期望电流的导数，表示对关节电机的电感常数矩阵L的估计，表示对关节电机的电阻常数矩阵R的估计，表示对关节电机反电动势的常数矩阵K_b的估计，表示对电流跟踪控制器中自适应神经网络最优权值W₃^*的估计，并且满足Γ₃、σ₃分别是电流跟踪控制器中神经网络权重更新律的正定对角矩阵和正定系数，表示关节电机的电枢电流矢量，是n维列向量，为关节的速度，K_c是正定对角的系数方阵，e_i为电流跟踪误差，S(Z₃)是电流跟踪控制器中自适应神经网络的径向基函数的值。