[发明专利]基于人机协作系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制方法

说明书

本发明公开了一种基于人机协作控制系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制方法，属于人机协作控制系统设计领域。本方法的操作步骤为：1)利用拉格朗日动力学方程建立机器人系统的动力学模型；2)基于新型非奇异快速终端滑模切换函数设计鲁棒有限时间轨迹控制器；3)在MATLAB/Simulink环境中搭建人机协作系统的控制仿真模型；4)通过仿真实验，分析在新型鲁棒有限时间轨迹控制器的作用下，机器人末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置、速度跟踪情况以及位置、速度的跟踪误差收敛情况。本发明方法具有一定的创新性和可行性，对于机器人末端执行器在笛卡尔坐标系中的轨迹跟踪控制器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人机协作系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制方法，应用于人机协作系统的运动控制领域。

背景技术

人机协作系统是近年来的研究热点，机器人与人之间的协同工作可以极大地提高工作的效率。然而，高度耦合的人机系统是一个复杂的非线性时变动态系统，系统中的不确定性和外部干扰等因素很容易降低系统的控制性能。滑模控制具有响应时间快、抗干扰能力强等优点，被广泛地用于非线性系统的控制器设计。不过，传统的滑模控制器常采用的是线性滑模切换面，该切换面的特点是渐进收敛性，即当系统的状态变量靠近平衡点时，系统的收敛速度较慢。提高人机协作控制系统的全局收敛性是降低系统跟踪误差的关键。另一方面，由于系统的状态变量在滑模切换面附件不断地进行切换，系统的控制输出将会产生高频的振荡，即抖振现象。在滑模控制中，抖振不能被完全的消除，但是可以被极大程度上的削弱。因此，如何有效地抑制抖振也是人机协作控制系统设计中的一个要点。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术中存在的收敛性慢、抖振等问题，提供一种基于人机协作控制系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制方法，本发明方法用于人机协作控制系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制器，利用非奇异快速终端滑模切换函数设计控制系统的等效控制器，有利于提高系统的全局快速收敛特性。另外，设计鲁棒高阶滑模控制器，用于提高系统的抗干扰能力，同时可以削弱抖振。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于人机协作控制系统的新型鲁棒有限时间轨迹控制方法，操作步骤如下：

a.建立人机协作系统动力学模型：

对于双关节机器人为例，在关节空间中，人机协作系统的动力学模型如下表示：

式中，是关节的运动角度，分别是关节的角速度和角加速度；是对称正定惯性矩阵，表示向心力和哥氏力，表示重力矩，是输出力矩，是雅可比矩阵，是人机交互力，t表示时间；D(q)，和G(q)表达式如下：

式中，P＝[p₁，p₂，p₃，p₄，p₅]^T表示机器人系统的模型参数向量，p₃＝m₂l₁l_c2，p₄＝m₁l_c2+m₂l₁，p₅＝m₂l_c2；m₁，m₂表示机器人大臂和小臂的质量，l₁，l₂表示机器人大臂和小臂的长度，I₁，I₂表示机器人大臂和小臂的转动惯量；记x是机器人末端执行器在笛卡尔坐标系中的位置，则

对式(5)求导得：