[发明专利]一种基于扰动观测器的机械手主次协调控制方法

权利要求书

1.一种机械手的扰动观测器与主次协调控制方法，适用于机械手在不确定的环境下抓取物体的操作，其特征在于：首先建立机械手的动态模型，根据机械手设置的力传感器，能够获取抓取力，建立一个非线性的扰动观测器，同时分析了扰动观测器的误差；再利用估计出来的扰动量，结合被抓取物体估计的质量、刚度及其表面的摩擦系数，估计反射控制中的反射抓握力；最后结合主模式控制方法，建立主次协调控制策略，控制机械手在扰动作用下稳定地抓取物体；建立非线性的扰动观测器及主次协调控制策略的具体步骤如下：

第一步，建立机械手动态模型：

其中q为关节的角位移，H(q)为惯性矩阵，为重力、摩擦力引起的关节转矩，τ为驱动力矩，r为驱动力矩对机械手其中一个关节的耦合系数，对于单自由度机械手，r＝1，J为雅克比矩阵，f表示被抓取物体对机械手的反作用力，能够采用如下的模型表示：

其中：x表示机械手与被抓取物体接触点的位置，K表示被抓取物体的刚度矩阵，L表示接触点到关节点的距离矩阵，

将式(2)代入式(1)得到

式中

第二步：建立非线性的扰动观测器：

设

式中p(f₁,f₂)为非线性函数，其表达式为：

式中w表示扰动量，根据式(4)，建立一个非线性的扰动观测器：

式中z₁,z₂,z₃为状态变量，β₁,β₂,β₃,b为系数，sat(·)表示饱和函数，

采用如下形式的李雅普诺夫函数进行误差分析：

式中e₂＝z₂-f₂，A，B和C表示正常数，

推导得到：

式中X＝(1.5Aβ₁-Bβ₂)，Y＝(1.5A-2Cβ₂+Bβ₂|e₁|^0.5)|e₁|^-0.25，Z＝B，p为式(5)给出的非线性函数；

第三步，建立主次协调控制策略：

当被抓取物体被检测到滑移时，就需调节机械手的抓握力，抓握力的调整采用如下自适应的方式进行：

假若主模式抓握力较小，此时有mg-2f_dμ＞0，f_d为期望抓握力，被抓取物体在重力作用下产生滑移，取反射控制的期望抓握力为：

式中z₃为扰动观测器的输出，z₀为获得滑移信息之前z₃的量，η₁与η₂为加权系数，δ为如下表达式：

其次，如果主模式抓握力能够稳定抓握被抓取物体，但外界扰动引起被抓取物体滑移时，此时有mg-2f_dμ＜0，被抓取物体在扰动作用下产生滑移，设计扰动自适应调整方式为：

在主模式控制的抓握下，根据多指协调控制策略，机械手各个手指抓握力的期望值为r＝1,…,R，R表示参与抓握的手指数量，根据机械手期望抓握力得到各手指期望抓握力为

根据主次协调控制原理，最后主与次控制的增量如下：

式中g(·)表示模糊控制器，即将输入δ,f映射为控制输出u_m，

基于前述的扰动观测器，得到：

式中

最后得到：

u＝u_m+u_r (14)

为主次协调的控制量。