[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

说明书

本发明涉及一种考虑变刚度关节延迟特性的机械臂控制变换方法，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。

技术领域

本发明属于机械臂控制领域，涉及一种考虑变刚度关节的大延迟特性的机械臂控制变换方法。

背景技术

在非结构化环境下，变刚度关节在工业机器人或家用机器人上的应用会越来越广泛，来解决环境交互完全性问题，之前一些采用变刚度关节的机器人或者直接忽略变刚度延迟特性，无法保证实际系统的闭环稳定性；或者将复杂的变刚度动力学和机器人动力学耦合设计控制，不但极大增加了控制器设计难度，也限制了现有控制方法的直接推广应用。

从机械臂控制输入上说，除了机械臂的关节控制外，还额外加入了刚度量作为输入，刚度量的在线调整使机器人的应用更加灵活。由于机器人的动力学本身就非常复杂，在把刚度作为控制量时，如果把变刚度的动态特性考虑在内，会大大增加控制器设计难度，一般忽略其动态特性直接设计。但实际上，变刚度关节一般采用物理方法改变弹簧的压紧或者改变力臂的大小进行刚度调整，刚度变化的响应速度延迟较大，这会给控制的稳定性带来比较大的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种考虑变刚度关节延迟特性的机械臂控制变换方法。

本发明解决技术的方案是：一种考虑变刚度关节延迟特性的机械臂控制变换方法，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。

优选的，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。

优选的，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。

优选的，所述步骤(1)中的动力学模型如下：