[发明专利]基于有限时间跟踪控制的协作机器人控制方法

说明书

本发明公开了一种基于有限时间跟踪控制的协作机器人控制方法，属于协作机器人控制系统设计领域。本发明方法操作步骤为：1)利用拉格朗日法建立协作机器人系统动力学模型；2)设计非线性扰动观测器，用于补偿控制系统中存在的集中扰动量；3)设计有限时间控制器，用于协作机器人的轨迹跟踪控制；4)在MATLAB/Simulink环境中搭建协作机器人有限时间跟踪控制系统的仿真模型；5)通过仿真实验，分析在有限时间跟踪控制器作用下，协作机器人关节角度和角速度的轨迹跟踪情况及误差收敛性情况。本发明方法用于解决现有协作机器人控制系统中存在的跟踪误差收敛较大及抗干扰能力差等缺陷，对协作机器人控制系统的设计具有一定的借鉴意义。

技术领域

本发明涉及一种基于有限时间跟踪控制的协作机器人控制方法，应用于协作机器人的运动控制领域。

背景技术

协作机器人是机器人应用的一个重要分支，主要应用于医疗康复、人机协同工作等领域。相对于传统的工业机器人，协作机器人具有体积小、高负载自重比、低速安全、灵活性高等特点。协作机器人控制系统的设计不仅要满足常规机器人的功能需求，还要具备人与机器人之间进行力交互的能力。更重要的是，在人机交互过程中需要确保人的安全。目前而言，协作机器人仍处于起步阶段，但工业机器人已经发展多年，积累了丰富的技术与经验，对协作机器人的发展将会提供很有利的帮助。

协作机器人是一个复杂的控制系统，具有多输入多输出、强耦合性、快时变性和非线性等特点，并且存在模型不精确、参数变化、摩擦、外部干扰等不确定性因素的影响。不确定性容易降低协作机器人控制系统的控制性能和稳定性，因此有效地抑制不确定性对控制系统的影响是跟踪控制器设计的关键。近年来，扰动观测器技术被广泛用于处理控制系统的不确定性。扰动观测器的输出可以用于干扰的前反馈补偿，由于这种方法具有前反馈的特性，扰动观测器不需要使用较大的反馈增益就可以提供快速的跟踪效果及平滑的控制动作。另一方面，传统的滑模控制器常采用的是线性滑模切换面，该切换面的特点是当系统的状态变量靠近平衡点时，控制器迫使系统状态变量达到平衡点的速度较慢，即渐进收敛性。因此，如何有效地提高协作机器人控制系统的全局快速收敛性也是控制系统设计的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于有限时间跟踪控制的协作机器人控制方法，利用非线性扰动观测器逼近并且补偿控制系统中存在的集中扰动量，利用非奇异快速终端滑模切换函数设计等效控制器，特点是收敛速度快及具有全局快速收敛特性。另外，设计二阶滑模控制器，用于补偿非线性扰动观测器的逼近误差，同时有助于增强控制系统的稳定性和抗干扰能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于有限时间跟踪控制的协作机器人控制方法，操作步骤如下：

a.建立协作机器人的动力学模型：

针对协作机器人，以关节为研究对象，利用拉格朗日法求解协作机器人的动力学模型，通过以下所示的二阶微分方程表示：

式中，是协作机器人的惯性矩阵，表示离心力和哥式力，是重力项；是关节的旋转角度，是关节的角速度，是关节的角加速度；表示摩擦力,表示额外干扰，是输出力矩，t表示时间；考虑到协作机器人系统中存在的不确定性及各种误差，式(1)又表示为：

式中，τ_dis(t，q)定义为一个集中扰动向量，表达式如下所示：

式中，ΔM(q)，ΔG(q)分别是矩阵M(q)，G(q)的建模误差；

b.设计非线性扰动观测器：

记为扰动观测器的估计输出，扰动观测器设计为：

式中，是增益矩阵；