[发明专利]一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法

说明书

本发明涉及一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法，首先搭建仿人机械臂柔性运动系统，使用中立II型T‑S模糊方法去建立柔性仿人机械臂的非线性动态系统。考虑到中立II型T‑S模糊系统的模糊隶属度函数难以准确获得，取模糊系统的模糊隶属度函数上下界的中间值作为控制器模糊隶属度函数。基于可达集估计的方法，设计中立II型模糊控制器，使得仿人机械臂的目标追踪误差可以被控制在允许的误差范围内。本发明设计的一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法，该方法设计的中立II型模糊控制器可以使仿人柔性机械臂的目标追踪误差控制在允许的范围内，具有广阔的市场应用前景。

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别是一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法。

背景技术

机器人可代替或协助人类完成各种艰苦或危险的工作，对其研发就显得非常重要。仿人机械臂是实现机器人抓取的关键，对其末端的定位与稳定工作的要求极高。然而，传动的控制方法忽略了臂杆传动的柔性会导致机械臂末端定位的困难，并极易引发系统工作不稳定。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法，使得仿人机械臂的目标追踪误差可以被控制在允许的误差范围内。

本发明采用以下方案实现：一种基于可达集估计的柔性机械臂目标追踪控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：搭建仿人机械臂柔性运动系统；其中，所述仿人机械臂柔性运动系统包括机械臂驱动电机、机械臂目标负载、机械臂目标输出轴、阻尼组件、齿轮传动组件、刚性组件、驱动输出轴、以及基体；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模糊模型的表达方法，建立柔性仿人机械臂的非线性动态系统；

步骤S3：考虑到中立II型T-S模糊系统的模糊隶属度函数难以准确获得，取模糊系统的模糊隶属度函数上下界的中间值作为控制器模糊隶属度函数；基于可达集估计的方法，设计中立II型模糊控制器，使得仿人机械臂的目标追踪误差可以被控制在允许的误差范围内。

进一步地，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：根据搭建的仿人机械臂柔性运动系统，分成输入传动系统、中间传动系统、以及输出传动系统；其中，输入传动系统模型如公式(1)所示：

其中J_in表示输入端的转动惯量，θ_in，分别是输入轴的转角、角速度和角加速度，F_in是输入端摩擦力力矩，T_in是电机驱动力矩，τ_in(t)是中间传动系统输入端扭转力矩；

步骤S22：考虑到中间传动系统存在齿轮传动组件，存在间隙非线性死区模型如下：

其中是Δθ的导数，Δθ＝θ_in-θ_out，表示等效的关节阻尼系数，k表示等效的关节刚度系数；

考虑输出传动系统模型如下：

式中，J_out表示输出端的转动惯量，θ_out，分别是输出轴的转角、角速度和角加速度，F_out是输出端摩擦力力矩，τ_out(t)是中间传动系统输出端扭转力矩；

步骤S23：定义∈_out＝θ_out-θ_ref，其中θ_ref假定为常数，则基于系统存在间隙非线性死区情形，得到如下的三个切换子系统：

和