[发明专利]基于自适应算法的移动机械臂位置/力自抗扰控制方法

说明书

基于自适应算法的移动机械臂位置/力自抗扰控制方法，该方法依据性能函数利用梯度下降法及改进过程方法，设计参数自适应估计算法来实时调节目标阻抗参数，使目标阻抗模型能够适应外界环境。然后设计了关节空间的阻抗控制器，利用改进扩张状态观测器对系统的扰动进行估计并在阻抗控制器中进行补偿。仿真实验表明，该方法能够在外界环境不确定的情况下实现位置/力的准确控制。

技术领域

本发明属于一种移动机械臂的位置/力控制领域，尤其涉及一种基于自适应算法的移动机械臂位置/力自抗扰控制方法。

背景技术

移动机械臂是将机械臂固定在移动平台上而构成的一类移动机器人系统。它是一类典型的强耦合、非线性的多输入多输出系统。在实际的工程应用中，一些复杂任务的执行要求移动机械臂末端执行器与外界进行交互。当与外界环境进行交互时，通常采用阻抗控制策略对移动机械臂的位置/力进行控制。但是在移动机械臂末端与环境的接触作用过程中，环境的变化会使得目标阻抗的参数发生变化；即使在同一环境下，移动机械臂与环境间的接触力不同或移动机械臂末端处于不同姿态时其等效阻尼、刚度、惯性矩阵也不同，因此，为了实现位置和力的精确跟踪，阻抗控制在实际应用中需要实时调整阻抗模型参数以适应外界环境的变化。目前，目标阻抗模型的参数调节问题是环境不确定情况下力控制研究中的难点问题。

针对移动机械臂与外界交互对象模型参数不确定性问题，很多学者进行了研究。国外方面，Blauer等依据力的测量值，采用最优估计算法来估计加工表面的参数及状态，并考虑了执行器末端与加工表面之间的摩擦力。(期刊：IEEE Transactions onAutomaticControl；著者:Blauer.M.andP.Belanger；出版年月:1987；文章题目：State andparameterestimation for robotic manipulators using force measurements,页码：1055-1066)。Natale等采用了基于无源性理论的自适应控制算法来进行机械臂的位置/力控制，并利用基于操作力误差的自适应算法估计交互对象模型中的未知参数，进行了实验验证。(会议：The 37th IEEE Conference on Decision and Control；著者:Natale C,Villani L；出版年月:1998；文章题目：Passivity-based design and experimental validationofadaptive force/position controllers for robot manipulators,页码：427-432)。Jung等人基于阻抗控制，设计了阻抗参数自适应调节控制算法，使得目标阻抗能够根据外界的变化来调节阻抗参数以解决上述问题。(期刊：IEEE Transactions on ControlSystems Technology；著者:Jung,Seul,eta；出版年月:2004；文章题目：Force trackingimpedance control ofrobot manipulators under unknown envi-ronment,页码：474-483)。Capisani等人依据力传感器测量值来估计外界交互对象的参数，并采用二阶滑模控制算法实现位置/力的控制。(期刊：I IEEE Transactions on Industrial Electronics；著者:Capisani,Luca Massimiliano and A.Ferrara；出版年月:2012；文章题目：Trajectory planning and second-order sliding mode motion/interaction controlfor robot manipulators in unknown environments,页码：3189-3198)。Yanan等人利用迭代学习的方法调节目标阻抗的参数以适应外界环境的变化，并根据阻抗关系来确定移动机械臂末端的期望位置，之后设计了位置控制算法对末端的位置进行了控制，通过实验验证了该算法的有效性。(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者:Li Y,Ge SS；出版年月:2014；文章题目：Impedance learning for robotsinteracting with unknown environments,页码：1422-1432)。国内方面，国防科技大学的祝晓才等针对外部交互环境接触面为不确定曲面的问题，设计了鲁棒镇定控制律，在设计过程中使用参数有界但未知的二次曲面来近似不确定曲面，并进行了仿真验证。(期刊：动力学与控制学报；著者:祝晓才，董国华，蔡自兴等；出版年月:2006；文章题目：不确定曲面上非完整移动机器人的鲁棒镇定,页码：299-307)。华南理工大学的李智军等[35]针对交互环境表面可变形条件下的力控制问题，设计了基于两个解耦子空间并行的模糊控制器进行位置/力的混合控制。(期刊：Neural ComputingApplications；著者:Li Zhijun,et al.；出版年月:2006；文章题目：Intelligent compliant force/motion controlofnonholonomic mobile manipula-tor working on the nonrigid surface,页码：204)。华中科技大学的李正义等针对外界环境刚度系数未知的情况，提出了利用神经网络近似估计外界环境的刚度系数方法。还有一些其它学者针对上述问题设计了一系列目标阻抗参数的自适应调节算法，以达到适应外界环境的目的。(学位论文：华中科技大学；著者:李正义；出版年月:2011；文章题目：机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用,页码：28-50)。