[发明专利]一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法。其特征为：利用坐垫机器人的动力学模型，拆分影响结构变化的物理量，构建结构变化的神经网络估计模型，建立坐垫机器人具有结构估计的动力学模型；基于有限时间稳定理论设计跟踪控制器，抑制结构变化对系统跟踪精度的影响，使系统在有限时间内实现稳定；基于STM32G4系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使机器人适应结构变化并跟踪指定的运动轨迹。该方法从结构变化的新视角解决了人机系统的跟踪精度问题，并提出了有限时间适应结构变化的控制方法，使人机系统抑制结构变化且在有限时间内实现稳定的跟踪运动，提高了人机系统的跟踪性和安全性。

技术领域：

本发明涉及轮式服务机器人的控制领域，尤其是关于轮式坐垫服务机器人的控制方法。

背景技术：

随着人口老龄化加剧以及交通事故增多，导致下肢障碍者数量逐年增长，为了实现下肢残障者的日常自立生活，坐垫服务机器人得到广泛应用。然而，在实际应用中，残障者很难坐在机器人中心，导致使用者与坐垫服务机器人的重心无法重合，进而使人机系统产生结构上的变化，这一因素严重干扰了坐垫服务机器人对指定轨迹的跟踪，产生的过大跟踪误差可能使机器人发生碰撞危险，进而威胁使用者的安全。因此，研究如何抑制坐垫服务机器人系统的结构变化问题，对保证使用者的安全以及提高机器人的跟踪精度具有重要意义。

近年来，坐垫服务机器人轨迹跟踪控制已有许多研究成果，然而这些成果都无法解决人机系统结构变化的问题。如果坐垫机器人在运动过程中无法适应系统结构发生的变化，不仅会产生较大的跟踪误差，甚至影响系统的稳定性。到目前为止，还没有关于人机系统结构变化的估计方法，以及适应人机系统结构变化的有限时间稳定控制方法。本发明基于新视角提出了人机系统结构变化的估计模型，并研究了适应结构变化的有限时间稳定控制方法，对提高人机系统的跟踪性和安全性具有重要意义。

发明内容：

发明目的：

为了解决上述问题，本发明提供了一种坐垫服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，目的是解决人机系统的结构变化问题，保证有限时间内实现系统的稳定性。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，其特征在于：

1)基于坐垫服务机器人的动力学模型，拆分影响结构变化的物理量，构建结构变化的神经网络估计模型，建立坐垫服务机器人具有结构估计的动力学模型；

2)基于有限时间稳定理论设计跟踪控制器，抑制结构变化对系统跟踪精度的影响，实现系统在有限时间条件下的稳定性。

步骤如下：

步骤1)基于坐垫服务机器人的动力学模型，拆分影响结构变化的物理量，构建结构变化的动力学模型，其特征在于：系统的动力学模型描述如下

其中

X(t)表示坐垫服务机器人的实际运动轨迹，u(t)表示机器人全向轮的控制输入力，M表示机器人的质量，m表示使用者的质量，I₀表示转动惯量，M₀,B(θ)为系数矩阵。θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ₁，由坐垫服务机器人结构可知，l表示系统重心到每个轮子中心的距离，r₀表示中心到重心的距离(i＝1,2,3)。