[发明专利]一种柔性机械臂控制仿真平台及其仿真方法

权利要求书

1.一种柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：包括柔性机械臂数学模型(1)、仿真平台主界面(2)、控制方案选择及实现模块(3)、期望轨迹设计模块(4)、控制参数设置模块(5)及参数状态显示模块(6)，各模块之间通讯连接实现数据传输；

所述的仿真平台主界面(2)负责协调仿真平台中各模块的工作过程，通过控制参数设置模块(5)给定目标控制参数，并传递至柔性机械臂数学模型(1)；通过控制方案选择及实现模块(3)设置目标使用的控制方法；利用期望轨迹设置模块(4)指定柔性机械臂仿真运动的期望轨迹；利用参数状态显示模块(6)在仿真平台主界面(2)上实现各参数数值及仿真图像的实时显示。

2.根据权利要求1所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械臂数学模型为被控柔性机械臂的数学模型表达式，利用力学关系建立两自由度的柔性机械臂数学模型，表达式如下：

其中，q和q_m分别表示连杆和转子的角位置；I和J分别表示连杆和转子的转动惯量；

K代表关节刚度系数；M,g,l分别表示连杆质量、重力加速度和连杆中心至关节长度；u表示电机转矩输入；

所述仿真平台主界面是基于GUI语言编写的图形化人机交互界面，其界面包含参数设置窗口、参数状态显示窗口及综合控制区；

所述控制方案选择及实现模块具有至少一种控制方法以供用户选择，用户通过修改仿真系统中控制律的数学表达式匹配控制算法；

所述期望轨迹设置模块具有至少一种柔性机械臂运动轨迹以供用户选择，用户根据实验设计需要选择相应的轨迹函数进行仿真测试；

所述控制参数设置模块负责完成控制参数的输入及向柔性机械臂数学模型的传递工作；

所述参数状态显示模块负责显示控制参数的数值及仿真控制系统输出的仿真曲线。

3.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械数学模型包括柔性机械臂的模型数学表达式及数据传输模块：所述数学表达式以S函数方式存储为单文件负责数学仿真任务，所述数据传输模块负责与仿真平台主界面链接实现仿真结果数据的传送任务。

4.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述仿真平台主界面基于GUI编写的程序，下附四个控制算法子界面，分别为：非鲁棒状态反馈、非鲁棒输出反馈、鲁棒状态反馈及鲁棒输出反馈四个界面，各子界面均包含参数设置窗口、参数状态显示窗口和综合控制区；所述的参数设置窗口提供控制参数的输入界面；所述的参数状态显示窗口提供参数状态显示的绘图区域；所述的综合控制区通过按钮控件负责控制仿真工作的启动、暂停和返回上级界面。

5.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述控制方案选择及实现模块为用户搭建实现控制方案的基本框架，具有至少一种控制方案供选择进行仿真，所述控制方案采用非线性控制方法，包括但不限于PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、预测控制等，并通过数学推导出不同控制方法对应的控制律进行调整以适配所述仿真平台。

6.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述期望轨迹设置模块具有被控柔性机械臂运动轨迹的设置方法，通过选择轨迹输入模块使用的轨迹函数，实现柔性机械臂仿真运动轨迹的预设和更改；所述柔性机械臂运动轨迹为基于规律信号设置的轨迹，包括但不限于按正弦轨迹运动、按余弦轨迹运动、按三角波轨迹运动、按方波轨迹运动、按恒值轨迹运动。

7.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述控制参数设置模块具有柔性机械臂各控制参数的输入窗口，用户通过在仿真平台主界面的参数设置窗口处输入仿真所需控制参数后，完成对柔性机械臂各相关控制参数的设置。

8.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述参数状态显示界面通过数值方式以显示各输入参数的值，并通过动态绘图的方式显示各被观测状态量，包括控制律、仿真控制系统输出状态值及观测器输出值的曲线，实现对仿真系统各参数及仿真结果的实时监测。

9.一种柔性机械臂控制仿真平台的仿真方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1，启动仿真平台，运行主界面，根据实际工况选择所需控制算法，点击对应的“GUI调用”按钮，调用仿真平台主界面下相对应的子界面，并关闭当前界面；

步骤2，在仿真平台的子系统界面中，通过控制参数设置模块输入仿真模型的各项物理参数及控制参数；

步骤3，启动仿真，仿真平台主界面的参数状态显示模块负责调用数学模型产生的仿真数据实现各状态量的图形绘制；

步骤4，用户根据反馈信息进行回应，实现所需的后续操作，回到上一级主界面；

步骤5，重复以上流程直至结束。