[发明专利]采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统及控制方法

权利要求书

1.采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统，其特征是，其包括增量式编码器(1)、直流电机(2)、谐波减速器(3)、刚性耦合元件(4)和连杆(5)；

所述增量式编码器(1)安装在直流电机(2)前端，用来测量电机的位置变量；

所述直流电机(2)作为系统的驱动装置，与谐波减速器(3)相连接；

所述谐波减速器(3)作为系统的减速装置，实现减速及放大力矩的作用；

所述刚性耦合元件(4)安装谐波减速器(3)后，与连杆(5)相连接，用来增强系统的连接强度。

2.采用位置测量的可重构机械臂分散控制方法，其特征是，该方法包括如下步骤：

步骤一，进行系统初始化，检测增量式编码器读数，得到位置测量信息，并基于该信息建立非线性速度观测器如下：

θ^·i1(t)=θ^i2(t)θ^·i2(t)=g(θ^i1(t),θ^i2(t),θi(t))---(1)]]>

上式中，θ_i(t)为实际关节位置测量值，分别为关节位置与速度的观测值，g(·)为基于反双曲正弦函数构建的非线性函数；通过观测器的输出得到即采用位置测量的情况下得到关节速度；

步骤二，根据步骤一建立的非线性速度观测器，建立扰动观测模型如下：

d^i(t)=∫0t(λ0+1)eiv(τ)dτ+∫0tλ1sgn(eiv(τ))dτ+(λ0+1)eiv(τ)-(λ0+1)eiv(0)---(11)]]>

其中，为系统扰动观测值，λ₀,λ₁为正参数增益，sgn(·)为标准符号函数，e_iv(0)，e_iv(τ)分别为初始时刻与τ时刻的速度观测误差，0≤τ≤t；根据扰动观测模型，建立力矩观测器如下：

T^j=I‾mγμξd^(t)---(12)]]>

其中，为关节力矩观测值，μ为电机摩擦系数，I_m为电机转动惯量，γ为传动比，ξ为等效粘滞系数；

步骤三，采用步骤一、步骤二中得到关节速度及关节力矩的观测值，建立可重构机械臂系统动力学模型，给出模型不确定性的解析表达形式；

可重构机械臂第i个关节动力学模型建立如下：

Imiγiθ··i+fi(θi,θ·^i)+ImiΣj=1i-1zmiTzθjθ··j+ImiΣj=2i-1Σk=1j-1zmiT(zθk×zθj)θ·^kθ·^j+T^jγi=ui---(13)]]>

其中，I_mi为电机的转动惯量，θ_i,分别为关节位置及加速度变量，为速度观测器的速度观测值，u_i为电机输出力矩，为关节间动力学耦合项，z_m与z_θ分别为电机与关节的轴向单位向量，为关节摩擦；

令i＝1,2,…,n，则式(13)可以变形为如下的状态方程：

Si:x·i1=xi2x·i2=Fri(θi,θ·^i)+Ψi(θi,θ·^i)+hi(θ,θ·^,θ··)-biuiyi=xi1---(15)]]>

其中，x_i，y_i分别为S_i的状态向量与输出变量，分别定义为

Ψi(θi,θ·^i)=-(Imiγi)-1(T^j/γi)]]>

Fri(θi,θ·^i)=-(Imiγi)-1fi(θi,θ·^i)---(16);]]>

hi(θ,θ·^,θ··)=-(Imiγi)-1(ImiΣj=2i-1Σk=1j-1zmiT(zθk×zθj)θ·^kθ·^j+ImiΣj=1i-1zmiTzθjθ··j)]]>

步骤四，通过步骤一、步骤二及步骤三中给出的关节速度观测器、力矩观测器、期望动力学信息及系统动力学模型，采用局部关节的动力学信息构建分散控制器，对包含模型确定项、摩擦力建模误差及关节间耦合项进行补偿，抑制控制器抖振并使机械臂关节精确跟踪期望轨迹；

首先，根据分散控制律形式，判断模型确定项是否得到补偿，若否，则带入控制律u_i0补偿模型确定项；

ui0=b^fiθ·^i+(f^ci+f^sie(f^τiθ·^i2))sgn(θ·^i)+bi-1(z·i+Ψi(θi,θ·^i)-θ··id(t)+k1e·i(t)-e··i(t0)-k1e·i(t0))---(23)]]>

其中，为一般摩擦力常数，为关节速度观测值，为积分滑模函数的导数，为关节期望轨迹的二阶导数，k₁为正常数增益，为关节位置误差，分别为关节初始位置误差的一阶、二阶导数；

其次，若模型确定项已通过u_i0补偿，则判断摩擦力建模误差是否得到补偿，若否，则带入控制律u_i1补偿摩擦力建模误差；

ui1=ui11+Y(θ·^i)(ui12+ui13)---(24)]]>

其中，为摩擦力模型项，为摩擦力建模误差补偿控制律；

第三，若摩擦力建模误差已通过u_i1补偿，则带入控制律u_i2补偿关节间耦合项控制律u_i2定义如下：

ui2=bi-1(κi1(t)φi1(si)+∫0tκi2(t)φi2(si)dt)---(32)]]>

其中，φ_i1(s_i)、φ_i2(s_i)为已知正定函数，κ_i1(t)、κ_i2(t)为可变增益函数；

合并式(23)、(24)和(32)得到本发明提出的分散控制器u_i如下：

ui=ui0+ui1+ui2=bi-1Ψi(θi,θ·^i)-θ··id(t)-e··i(t0)-k1e·i(t0)+k1e·i(t)+κi1(t)φi1(si)+z·i+bib^fiθ·^i+ui11+Y(θ·^i)(ui12+ui13)+(f^ci+f^sie(f^τiθ·^i2))sgn(θ·^i)+∫0tκi2(t)φi2(si)dt---(34)]]>

最后，判断系统是否达到最大运行时间，若是，则输出结果并结束，若否则进入步骤一。