[发明专利]基于有限时间命令滤波的多关节机械臂阻抗控制方法

说明书

本发明公开了一种基于有限时间命令滤波的多关节机械臂阻抗控制方法，属于机器人控制技术领域。该方法基于反步法，通过阻抗控制技术实现了对机械臂的力/位控制，采用模糊自适应技术逼近多关节机械臂系统中的未知摩擦量，引入命令滤波技术解决了传统反步法控制器设计中存在的“计算复杂性”问题，同时引入了误差补偿机制，消除了滤波误差的影响。利用有限时间控制使机械臂力/位跟踪信号在有限时间内收敛，保证了机械臂力/位跟踪误差能在有限时间内收敛到原点的一个足够小的领域内。综上，本发明所提出的控制方法能够使机械臂末端力/位轨迹快速有效地跟踪期望轨迹。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种基于有限时间命令滤波的多关节机械臂阻抗控制方法。

背景技术

随着机械臂在社会生活中的运用日益广泛，其工作环境也越来越复杂，仅依靠机械臂的位置控制已经不能满足当今的工作需求。人与机械臂的协作技术在社会生产中的运用已成为未来发展的趋势，同时，为了提高人/机械臂交互系统的安全性与柔顺性，更高精度的机械臂力/位控制策略在实际工程运用中有着更大的需求，因此如何对协作机械臂有效地进行力/位控制已成为一个重要的研究热点。为了解决这一难题，海内外专家学者对此进行了大量的科学研究，并提出了力/位混合控制、阻抗控制等力/位控制方法。阻抗控制具有抗扰动能力强、计算量相对较少以及易于机械臂进行力控制等特点，因此受到了海内外研究人员的广泛关注。

作为先进控制方法的反步控制法已经被运用到多机械臂系统的控制中，并取得了较好的力/位控制效果，但反步法存在的问题主要体现在：(1)系统的某些函数必须是线性的；(2)反步法控制器设计中虚拟控制律的反复求导提高了“计算复杂性”，上述问题的存在使得反步法的使用具有较大的局限性。

模糊逻辑系统对系统的某些函数必须是线性的问题提供了解决思路，其中，模糊逻辑系统通过近似理论逼近复杂非线性系统中的未知非线性函数。针对反步法控制器设计中虚拟控制律的反复求导的问题，专家们已经提出了命令滤波技术，通过引入二阶滤波器解决传统反步控制方法中虚拟控制律的反复求导问题的同时，该技术通过补偿信号解决了滤波误差问题，并简化了有限时间命令滤波阻抗控制器的结构。

发明内容

本发明目的在于提出一种基于有限时间命令滤波的多关节机械臂阻抗控制方法，以实现对多关节机械臂末端进行力/位快速的高精度控制。

为了实现上述目的，采用如下技术方案：

基于有限时间命令滤波的多关节机械臂阻抗控制方法，包括如下步骤：

步骤1：建立多关节机械臂动力学模型，如公式(1)所示：

其中，q∈R^n×1为多关节机械臂各关节角度；D(q)∈R^n×n为多关节机械臂惯性矩阵；为多关节机械臂离心力和科里奥利力矩阵；G(q)∈R^n×1为多关节机械臂重力项向量；τ∈R^n×1为多关节机械臂各关节转矩向量；τ_f∈R^n×1为多关节机械臂各关节所受的摩擦力向量；J(q)∈R^n×n为多关节机械臂的雅可比矩阵；F_e∈R^n×1为环境对多关节机械臂末端施加的接触力；其中，n为机械臂的关节数；

多关节机械臂在笛卡尔坐标系上的关系式，如公式(2)所示：

从而有

其中，x为机械臂末端位置，为多关节机械臂关节角度转化为笛卡尔坐标下机械臂末端位置的函数关系式。

多关节机械臂末端位置与末端力的阻抗控制关系式，如公式(3)所示：