[发明专利]一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法

权利要求书

1.一种刚性仿人机械手多速率采样协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：搭建仿人机械手运动系统；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型的表达方法，建立仿人机械手的非线性动态系统；

步骤S3：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致、仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致、相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化造成不必要的计算导致硬件资源的浪费这三个问题，设计多速率采样事件触发模糊控制器，使得仿人机械手指协调抓取并实现稳定工作；

其中，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：建立刚性仿人机械手动力学模型，如公式(1)所示：

式中，i表示第i个仿人机械手指，其中N是仿人机械手指的个数；是仿人机械手的速度，是广义惯量矩阵，是广义速度二次型矩阵，τ_i(t)是广义驱动力，J_i是雅克比矩阵，F_e(i)是负载力；

步骤S12：考虑到公共的负载力F_e是由多个仿人机械手指末端共同承担的，则：

得到：

其中，F_e(j)表示的是第j个仿人机械手指末端所承担的力；

步骤S13：将此公式(3)代入(2)后并对方程两边同乘以进一步选择作为模糊前件变量，得到如下的刚性仿人机械手指耦合模糊增广模型：

式中，是非线性函数线性化后的结果，而是非线性函数线性化后的结果；和是中立II型的模糊集；

步骤S14：定义u_i(t)＝τ_i(t),并且考虑信号F_e(i)难以获得，将公式(4)改写如下的系统：

其中，C_i＝[I 0]，I为单位矩阵；

其中，步骤S3包括以下步骤：

步骤S31：考虑到每根仿人机械手指的采样速度不一致，定义：

式中，角标i表示第i个仿人机械手指，角标k表示采样的次数，表示第i个仿人机械手指的采样周期，与分别表示仿人机械手指第k+1次采样的时刻与仿人机械手指第k次采样的时刻；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

步骤S32：考虑相邻采样时间序列的采样信息并无明显的变化，造成不必要的计算导致硬件资源的浪费问题，设计具有事件触发的反馈信息，如下：

式中，∈_i是一个预设的标量，可以根据实际需要设定；当标量∈_i设定大，那么数据传送就会比较少，控制性能就会比较差，反之亦然；表示第i个仿人机械手指在第k时刻传送的输出信号，与表示第i个仿人机械手指在第k次采样的时刻的两个模糊前件变量；

步骤S33：考虑仿人机械手指的驱动电机响应速度与采样速度不一致，定义：

式中，z_i和分别表示仿人机械手指的驱动电机最低的响应速度与最高相应速度；为了后续处理上的方便，定义变量得到：

定义每根仿人机械手指在信号处理上的时变延时γ_i，并由公式(6)和(8)得到信号从采用到处理，再到执行的总消耗时长为：

步骤S34：考虑以下多速率采样事件触发模糊控制器的形式：

式中，是要设计的模糊控制器增益,是要设计的线性控制器；

步骤S35：为了设计上的简便，定义：

式中，表示第j个仿人机械手指在k时刻响应的状态变量，x_j(t)表示第j个仿人机械手指的状态变量，表示第j个仿人机械手指在第k时刻响应的网络传送输出信号，表示第j个仿人机械手指在第k时刻响应的输出信号；

步骤S36：将公式(14)-(16)代入(5)后，得到以下闭环控制系统：

步骤S37：建立如下的李雅普诺夫函数：

式中，P_i(2)和P_i(3)是具有适当维数的矩阵；其中

式中，表示每根仿人机械手指在信号处理上的总消耗时延上界；

步骤S38：定义一个对称正定矩阵Z_ji,由公式(8)、(15)、(16)得到：

对公式(18)进行求导并考虑公式(19)后得到如下的关系式：

式中，α²表示扰动抑制性能指标系数；

步骤S39：对公式(20)进一步展开，并根据公式(17)的结果，得到：

步骤S310：通过求解公式(21)得到控制器的增益和使得进而实现仿人机械手指协调抓取并稳定工作。