[发明专利]一种机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制方法

说明书

本发明公开的一种机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制方法，属于机械臂控制领域。本发明实现方法为：首先对机械臂中相邻两臂杆分别建立其运动学、动力学递推关系，得到各臂杆的广义速率导数、以及相邻两个臂杆之间相互作用力的表达式；然后利用广义速率与相互作用力的表达式，推导状态误差方程，并结合有限时间控制和自适应鲁棒控制方法，设计机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制器；接着分析所设计控制器的稳定性；最后利用机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制器对机械臂进行实时轨迹跟踪控制，既能保证控制精度，提高鲁棒性，同时也能够降低计算成本，适用于机械臂实时轨迹跟踪控制工程实际。

技术领域

本发明涉及一种机械臂轨迹跟踪控制方法，特别是涉及一种机械臂递推分布式快速收敛鲁棒控制方法，属于机械臂控制领域。

背景技术

机械臂作为复杂的多输入多输出多体系统，具有不确定性、非线性、时变等动力学特征，其建模与轨迹跟踪控制问题十分复杂。目前已有的控制方法有鲁棒控制、自适应控制、模糊控制、滑模控制、神经网络控制等。

针对机械臂的轨迹跟踪控制方案主要分为“集中式”和“分布式”两种。集中式控制方案用一个中央控制器同时控制机械臂所有关节的驱动力矩，但该类控制方案需要在线计算机械臂动力学耦合与非线性项，并离线存储轨迹，大内存的占用与高计算成本一直是研究的关键问题之一。而在分布式控制系统中，每个关节作为子系统由单独的控制器控制，所有子系统间的相互关系如科氏力和离心力则被视为干扰。此类控制方案计算量较小，适用于机械臂实时轨迹跟踪控制工程实际，但是由于忽略了机械臂内部各个臂杆的耦合关系，对控制器的鲁棒性要求较高，且控制精度较低。

发明内容

针对机械臂的集中式控制方案计算成本高、鲁棒性低，以及分布式控制精度低的缺点，本发明公开的一种机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制方法要解决的技术问题是：基于机械臂的递推动力学模型，设计机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制器，进行机械臂的实时轨迹跟踪控制，既能保证控制精度，提高鲁棒性，同时也能够降低计算成本，适用于机械臂实时轨迹跟踪控制工程实际。

本发明目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制方法，首先对机械臂中相邻两臂杆分别建立其运动学、动力学递推关系，得到各臂杆的广义速率导数、以及相邻两个臂杆之间相互作用力的表达式；然后利用广义速率与相互作用力的表达式，推导状态误差方程，并结合有限时间控制和自适应鲁棒控制方法，设计机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制器；接着分析所设计控制器的稳定性；最后利用机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制器对机械臂进行实时轨迹跟踪控制，既能保证控制精度，提高鲁棒性，同时也能够降低计算成本，适用于机械臂实时轨迹跟踪控制工程实际。

本发明公开的一种机械臂的递推分布式快速收敛鲁棒控制方法，包括如下步骤：

步骤一：基于递推算法建立机械臂的动力学模型，即对机械臂中相邻两臂杆分别建立其运动学、动力学递推关系，得到各臂杆的广义速率导数、以及相邻两个臂杆之间相互作用力的表达式；

步骤一实现方法如下：

步骤1.1：对机械臂中相邻两臂杆分别建立其运动学递推关系；

考虑机械臂中相邻两臂杆j和c(j)，其中j相对于c(j)远离根体。两臂杆通过铰h_j连接，连接点分别为P_j和Q_c(j)。两臂杆连体坐标系和分别与其上的点P_j与P_c(j)固连。j相对惯性坐标系的速度和角速度表达式根据几何关系得出：

其中，v_hj和ω_hj分别为相对于的速度与角速度，均在中表示；A_j,c(j)为从到的坐标转换矩阵。定义W_j为运动传递矩阵，表示为