[发明专利]多关节协作机器人微机电系统故障容错控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种多关节协作机器人微机电系统故障容错控制方法及系统，所述方法包括：基于动力学基本原理建立多关节协作机器人数学模型；将微机电系统各类故障与所述数学模型相融合，使设计的故障容错控制律对既定故障具有特异性；利用分数阶微积分算子构建分数阶滑模面，使用快速趋近律函数实现状态变量在分数阶滑模面附近快速收敛；针对微机电系统各类故障融合模型，利用构建的分数阶滑模面，并引入李雅普诺夫函数进行故障容错控制律设计。本发明克服了现有基于模型的机器人故障容错控制算法依赖建模精度的缺点，改进了常规滑模控制方法应用于机器人故障容错控制时带来的抖振问题，提高了故障时机器人的响应速度。

技术领域

本发明涉及机器人故障容错控制技术领域，特别涉及一种基于分数阶滑模理论的多关节协作机器人微机电系统故障容错控制方法及系统。

背景技术

随着智能机器人技术的发展和成熟，机器人和机器人技术不再局限于制造领域，而是在资源勘探、救灾、医疗、军事、航空航天等领域显示出优越的适用性。复杂环境下的应用机器人对机器人本身的结构设计要求较为严格，机器人从早期的单一结构模型逐步向模块化、复杂化的方向发展。机器人系统的核心部件为各类MEMS传感器以及作为动力机构的执行器，由于在狭小的物理空间内可能集成了电子、机械等各类传感器，且机器人的应用环境复杂多样，MEMS传感器容易受到噪声、电磁干扰、温度、振动等因素的影响，随之而来的是传感器高故障率。一旦机器人发生某种传感器故障，不仅会使当前任务中断，轻则造成经济损失，重则可能危及人员的生命安全。因此，当机器人已经发生故障后，对其施加鲁棒容错控制策略，确保系统的稳定运行显得十分必要。

当前为了实现对机器人的故障容错控制，已有的研究方法主要分为被动容错控制和主动容错控制。对于被动容错控制系统，主要是依据针对当前系统的一些故障先验知识，进行鲁棒控制器的设计。控制器一旦设计好了以后，此后不再进行实时调整。主动容错控制在系统发生故障时，可能会涉及到多套控制算法之间的切换，或者依据故障信息修正控制器的增益等。因机器人控制系统比较复杂，故障类型多样，因此使用被动容错控制对机器人的故障控制的研究比较少，绝大部分依然使用主动容错控制方法。

从已公开发表的机器人故障容错控制结果来看，目前没有文献综述机器人容错控制的研究方法，通过对已有的机器人容错控制方法进行统计分析，对机器人主、被动容错控制的研究，目前仍然集中在传感器和执行器故障容错控制两个方向。大部分研究的机器人故障状态单一，如只针对单一执行器或传感器故障实施容错控制。此外，对于各类故障，已有的研究并未对故障状态进一步细化综合考虑，如传感器故障可能包含恒偏差、恒增益故障等，执行器可能发生卡死故障、恒偏差故障等。

对于机器人故障容错控制问题的研究方法，国际上采用的主流的容错控制方法集中在三个方向，分别是基于数据、基于模型以及基于附加传感器的故障容错控制。基于数据的容错控制有深度学习、模糊控制等。基于模型的故障容错控制方法主要有基于反步法的故障容错控制、基于滑模容错控制等，其中基于模型的滑模控制由于鲁棒性好，控制理论的设计有据可循，因而广泛被采用。由于机器人系统结构复杂，尤其是多关节协作机器人，因此需要对常规滑模控制进行改进，以提高多关节协作机器人的故障容错控制性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多关节协作机器人微机电系统故障容错控制方法及系统，以解决基于模型的机器人故障诊断方法依赖建模精度的缺点，并且更具体的，改进了常规滑模容错控制方法，采用了微积分算子，克服了常规滑模控制器带来的抖振问题以及响应慢的缺点。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供如下方案：

一方面，提供了一种多关节协作机器人微机电系统故障容错控制方法，包括以下步骤：

S1、基于动力学基本原理建立多关节协作机器人数学模型；

S2、将微机电系统各类故障与所述数学模型相融合，以便于后续故障容错控制律设计，使设计的故障容错控制律对既定故障具有特异性；

S3、利用分数阶微积分算子构建分数阶滑模面，使用快速趋近律函数实现状态变量在分数阶滑模面附近快速收敛；