[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

说明书

本发明公开了一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，包括以下步骤：步骤一、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，计算笛卡尔空间中的柔顺位置x_c，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、设计位置跟踪控制器，得到跟踪q_c所需要的控制力矩τ；步骤四、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。本发明提升了轨迹跟踪精度，最终减小了在未知环境下的力跟踪偏差。

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，特别是一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法。

背景技术

阻抗控制是机械臂柔顺控制中常用的方法之一，它建立了力与位置之间的动态关系，通过调整位置可以间接调整机械臂末端所受到的环境力的大小。如果环境信息可以准确获得，阻抗模型能够较为准确地将力跟踪偏差转化为位置的修正量，从而跟踪期望力。然而，在环境信息无法准确获取时，阻抗模型的有限调节作用无法得到合适的轨迹，较大的力跟踪偏差则可能导致任务失败或者设备的损坏。因此，如何在未知环境下实现机械臂的力跟踪阻抗控制成为了当前的一个研究热点。目前较多的研究集中在通过调节阻抗参数实现对期望力的跟踪，然而由于待调节参数较多以及参数的时变性，系统的稳定性和动态性能难以得到保证。也有研究提出将阻抗模型的刚度系数设为零来提高力跟踪精度，这种策略对于力跟踪精度确实有很大的提升，然而阻抗模型可以看作是一个二阶滤波器，将刚度系数设为零，可能会影响到系统的响应速度。

此外，当阻抗控制产生了合适的柔顺轨迹之后，机械臂的轨迹跟踪性能就决定了力跟踪的精度。然而目前的研究成果大多只考虑了在力矩层面的控制，实际上，控制力矩是由关节电机提供的，这些研究忽视了控制过程中关节电机的特性对于跟踪效果的影响。综上存在未知环境中阻抗模型控制精度不足的问题以及机械臂轨迹跟踪控制未考虑关节电机特性的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种考虑关节电机动力学的机械臂力跟踪阻抗控制方法，通过提高轨迹修正精度和轨迹跟踪精度，最终提高机械臂的力跟踪控制精度；其中，针对阻抗模型无法在未知环境中跟踪期望力的问题，采用反步法对阻抗模型产生的轨迹作二次修正，在保证系统稳定性的前提下得到合适的柔顺位置，从而为减小力跟踪偏差提供必要的条件；针对机械臂关节电机的动力学对于轨迹跟踪性能的影响，将关节电机的动力学模型以及电机的输出力矩饱和特性引入，使控制方案更加贴近于机械臂的实际模型，提高控制精度，以获得更高的力跟踪精度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出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，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；