[发明专利]一种基于不等式约束的关节模组鲁棒控制方法

说明书

本发明涉及一种基于不等式约束的关节模组鲁棒控制方法，包括：建立协作机器人一体化关节模组的动力学方程；对关节模组通过状态变换来满足受控输出的不等式约束，得到角速度和角加速度设计一种鲁棒控制器；对所述鲁棒控制器进行仿真，对鲁棒控制器中的参数进行调节，并得到结论。本发明不仅具有模型本身的特性，还具有PID控制器的特性以及鲁棒项，鲁棒项可以估计系统中的外部干扰和不确定性，鲁棒项的表达式为分段函数的形式，当ε接近零时，可以防止鲁棒项趋于无穷大，由于这些特性使该控制器在理论上比PID控制器和基于模型的PD控制器具有更好的动态性能。

技术领域

本发明涉及协作机器人关节模组控制技术领域，尤其是一种基于不等式约束的关节模组鲁棒控制方法。

背景技术

协作机器人作为机器人领域最热门的技术之一，近年来越来越受到人们的关注。协作机器人主要由关节模组和连杆串联组成。关节模组系统作为协作机器人各关节的动力源，是典型的电机齿轮系统，关节模组的动态性能对协作机器人的整体动态性能有着非常重要的影响。在传统的控制方法中，高性能的控制要求精确的系统参数，但是，由于温度变化引起的惯性矩、粘滞摩擦系数等系统参数的变化等结构不确定性，系统建模不充分，以及负载转矩扰动、电磁干扰、控制目标变化等非结构不确定性，会对联合模块系统的动态性能产生负面影响。

因此，关节模组系统实际上是复杂的、易受不确定性影响的，对于关节模组这样的多变量、高度耦合、时变非线性系统，实现高性能轨迹跟踪是一项具有挑战性的任务。并且，针对现有关节模组驱动控制平台的功能单一、体积庞大、数据无法可视化、控制代码编写难等问题，设计一种基于不等式约束的鲁棒控制方法是有广泛的实际意义的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现高性能的轨迹跟踪控制的基于不等式约束的关节模组鲁棒控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于不等式约束的关节模组鲁棒控制方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)建立协作机器人一体化关节模组的动力学方程；

(2)对关节模组通过状态变换来满足受控输出的不等式约束，得到角速度和角加速度

(3)设计一种鲁棒控制器；

(4)对所述鲁棒控制器进行仿真，对鲁棒控制器中的参数进行调节，并得到结论。

在步骤(1)中，所述协作机器人一体化关节模组的动力学方程为：

其中，τ表示电机的电磁转矩，η为谐波齿轮减速器的传递效率，λ为传动比，T_l表示关节模组输出轴上的负载转矩,T_f表示谐波减速器的中的摩擦力，B表示粘滞摩擦系数，J表示转动惯量，使用x、和分别表示电机转子角位移、角速度和角加速度。

所述步骤(2)具体是指：利用正切函数对电机转子角位移x进行状态变换，状态变换公式如下：

其中，x_d是转子的期望角位移，x_m和x_M是电机转子角位移的上、下界；x为电机转子角位移，x∈[x_m x_M]；y为转换后的关节模组中的实际角位移，y_d为转换后的关节模组中的期望角位移；

通过公式(2)式进行反解，得到电机转子角位移x：

对(4)式求一阶导数，得到角速度

对(4)式求二阶导数，得到角加速度