[发明专利]欠驱动机器人系统的控制方法

说明书

本发明公开了欠驱动机器人系统的控制方法，解决了现有技术中外界未知干扰对欠驱动机器人系统的位置控制效果造成不良影响以及收敛速度慢的技术问题。控制方法包括以下步骤：采用扩展状态观测器输出关节位置估计值、关节速度估计值和集总扰动的估计值，由集总扰动的估计值设计干扰补偿项；设计第一层快速终端滑模面中驱动关节对应的第一子滑模面，由第一子滑模面输出第一等效控制律；设计第一层快速终端滑模面中非驱动关节对应的第二子滑模面，由第二子滑模面输出第二等效控制律；设计第二层滑模面，由第二层滑模面输出切换控制律；根据干扰补偿项、第一等效控制律、第二等效控制律和切换控制律设计总控制律来对欠驱动机器人系统进行控制。

技术领域

本发明涉及欠驱动机器人系统控制的技术领域，具体而言，涉及欠驱动机器人系统的控制方法。

背景技术

欠驱动机器人系统是一种系统控制输入个数小于系统自由度的特殊机器人系统，具有能耗低、质量轻、效率高等特点。欠驱动机器人系统被广泛应用于航空、工业、农业、医学等领域，极大地提高了工业生产效率和人们的生活品质。但是，欠驱动机器人系统的动力学特性高度复杂，无法直接使用一般的全驱动系统的控制方法。此外，欠驱动机器人本身更易受一些不确定性因素影响，尤其是外界未知干扰。这些不确定性需要恰当地处理，否则它们可能会对期望的控制性能造成损害，严重影响着欠驱动机器人系统的控制精度，从而进一步导致系统不稳定，甚至损坏系统。

为了有效补偿欠驱动机器人系统中的外界未知扰动，许多国内外学者采取滑模控制来改善欠驱动机器人系统的控制性能，保持系统稳定性。滑模控制作为一种典型有效的鲁棒控制方法，有着稳定、可靠、鲁棒性强等特点。

然而对于部分欠驱动机器人系统而言，由于不能直接获得滑模面参数，常规的单层滑模面适用性不高。分层滑模控制策略虽然能够在一定程度上提升欠驱动机器人系统受到外界未知扰动时的控制效果，然而，现有的分层滑模控制策略的控制精度和稳定性还是存在一些局限性，在应对外界未知干扰时，位置误差收敛速度有待提升，不可避免的抖振问题有待进一步解决。

发明内容

本发明的主要目的在于提供欠驱动机器人系统的控制方法，以解决现有技术中外界未知干扰对欠驱动机器人系统的位置控制效果造成不良影响以及收敛速度慢的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了欠驱动机器人系统的控制方法，技术方案如下：

欠驱动机器人系统的控制方法，包括以下步骤：

采用扩展状态观测器处理受到未知干扰时欠驱动机器人系统的关节数据并输出关节位置估计值、关节速度估计值和集总扰动的估计值，由集总扰动的估计值设计干扰补偿项；

利用驱动关节位置估计值与期望值的驱动关节位置误差及其一阶导数设计第一层快速终端滑模面中驱动关节对应的第一子滑模面，由第一子滑模面输出第一等效控制律；

利用非驱动关节位置估计值与期望值的非驱动关节位置误差及其一阶导数设计第一层快速终端滑模面中非驱动关节对应的第二子滑模面，由第二子滑模面输出第二等效控制律；

利用第一层驱动快速终端滑模面和第一层非驱动快速终端滑模面设计第二层滑模面，由第二层滑模面输出切换控制律；

根据干扰补偿项、第一等效控制律、第二等效控制律和切换控制律设计总控制律来对欠驱动机器人系统进行控制；

所述欠驱动机器人系统的模型为：