[发明专利]一种考虑变刚度关节延迟特性的机械臂控制变换方法

权利要求书

1.一种考虑变刚度关节延迟特性的机械臂控制变换方法，其特征在于通过下述方式实现：

(1)考虑机械臂安装变刚度关节的时延特性，建立n自由度机械臂动力学模型；

(2)将所述动力学模型中的时延缩小为原来的建立新的动力学模型；所述的m＞1；

(3)设计使新动力学模型闭环稳定的小时延控制律；

(4)以所述的小时延控制律为基础，考虑步骤(1)、(2)中两个动力学模型的缩放关系，进行缩放变换，设计使步骤(1)闭环稳定的控制律，利用该控制律实现机械臂的控制；

假设步骤(3)设计的小时延控制律为：

则步骤(4)中设计的控制律为：

式中，u为n维力矩向量，对应n自由度机械臂的关节力矩，k为l维刚度向量，对应n自由度机械臂l个刚度可调关节的刚度输入，u₀()和k₀()分别指现有的力矩和刚度的控制函数，q和对应n自由度机械臂的关节角度向量和关节角速度向量，G(q)是拉格朗日方程中的重力梯度向量，δq为l个刚度可调关节的形变角度；t为时间，B为n×n矩阵描述了关节力矩对广义坐标的作用效果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤(2)之前首先分析机械臂的时延特性，若时延大于机械臂控制周期，则从步骤(2)开始执行；否则，直接设计使步骤(1)动力学模型闭环稳定的小时延控制律，利用该控制律对机械臂进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的动力学模型如下：

式中，q为结构空间的一个广义坐标向量，维数为n；D(q)为惯性矩阵；是科里奥利矩阵，G(q)是重力势能场的梯度向量，B为n×n矩阵描述了关节力矩对广义坐标的作用效果，E(δq)为n×l矩阵，将刚度可变关节的关节形变作用映射到广义坐标上，l为刚度可调关节数，满足l≤n，假设n自由度机械臂第i个关节刚度不可调，则E(δq)第i行为全零行，假设n自由度机械臂第i个关节刚度可调，且对应的是l个刚度可调关节中的第j个，则E(δq)第i行j列的元素为δq_j，第i行其余元素为0；u(t)代表n维力矩向量，k(t)为l个刚度可调关节的刚度输入，T＝[T₁,T₂,…T_l]^T分别对应l个可调节刚度关节的刚度调节时延，有k(t-T)＝[k₁(t-T₁) k₂(t-T₂)…k_l(t-T_l)]^T。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的新动力学模型如下：

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述的m根据实际的时延T＝[T₁,T₂,…T_l]^T选取，需要保证建立的新的动力学模型的时延小于机械臂上位机规划控制器一个控制周期的时长ΔT，其中l为机械臂中可调节刚度关节的数量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：m取值范围优选其中，T_max是时延T＝[T₁,T₂,…T_l]^T中的最大分量。