[发明专利]基于超椭球映射解析算法并联冗余柔索机构伺服控制方法

说明书

本发明涉及基于超椭球映射解析算法并联冗余柔索机构伺服控制方法，包括并联冗余柔索机构反馈控制伪指令与伪指令的解析分配；反馈控制伪指令通过PID控制实现；伪指令解析分配方法通过超椭球映射方法实现。本发明解决了现有并联冗余柔索机构伺服控制系统需要在线优化的问题，反馈控制率由简单矩阵运算组成，构造简单，易于实现，在线求解效率高。

技术领域

本发明属于并联冗余柔索机构伺服控制领，特别涉及基于超椭球映射解析算法并联冗余柔索机构伺服控制方法。

背景技术

相较于传统刚性机构，以柔索张力作为驱动力的并联机构，具有惯性小、体积小、积累误差小与工作空间大的特点，能够最大限度地满足装备质量轻、控制精度高与任务包络大等需求，目前广泛应用于医疗康复、工业机器人等领域。并联冗余柔索机构是指控制柔索数量大于被控自由度数量的一类柔索驱动机构，其需要通过控制分配环节将低维反馈控制指令转化为高维的张力分配以实现位、姿控制。目前，并联冗余柔索机构的控制分配算法也可大致分为两类：

第1类，优化法。该类方法能够寻找到全局最优解，但是极限计算消耗(最大迭代次数)在机构工作过程中不受控。第2类，几何法。相比于优化法，几何法无法找到全局最优解、最大迭代次数可控。该类方法的提出就是为了保证在线求解时最大迭代次数可控。但是，目前现有控制方法仅能保证最大在线迭代次数可控，无法消除在线迭代计算的环节，降低了反馈控制率求解效率。

目前针对并联冗余柔索机构的控制器设计研究领域，目前研究热点为各类控制律与控制分配优化或几何迭代算法的组合，例如通过自适应鲁棒控制与控制分配优化法相结合、控制与控制分配几何迭代方法相结合以及鲁棒PID控制与控制分配几何迭代方法相结合等。以上研究方法所基于的控制分配算法成熟，在线控制分配算法对于计算能力依赖较大，目前为并联冗余柔索机构控制器设计的主流方法。另外，由于目前控制分配的解析算法研究仍然没有完善成熟的方法，对于控制率的解析算法目前还处于尝试阶段，虽然能够显提高低控制响应速度，降低控制系统复杂度，但是存在控制张力存在浪费问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：为克服现有技术的不足，提出基于超椭球映射解析算法并联冗余柔索机构伺服控制方法，将PID反馈控制与超椭球映射解析分配算法相结合，解决现有并联冗余柔索机构主动控制系统需要在线迭代所导致的控制率求解效率问题。

本发明解决技术的方案是：

基于超椭球映射解析算法并联冗余柔索机构伺服控制方法，该方法的步骤包括：

步骤(1)、确定并联冗余柔索机构CDPR运动部件的质量m、转动惯量I_xx、I_yy与I_zz，定义状态向量为x＝(p^T,Θ^T)^T，其中p＝(p_x,p_y,p_z)^T为CDPR运动部件质心位移向量，为并联冗余柔索机构运动部件姿态角向量，为滚动角、θ为俯仰角、ψ为偏航角；定义PID控制参数矩阵K_p、K_I与K_D，控制参数矩阵维度为6×6；

步骤(2)、通过传感器提取与处理信息，获得并联冗余柔索机构运动部件状态信息x，确定该时刻目标轨迹x_d，求解运动误差e＝x_d-x；

步骤(3)、根据步骤(2)所获得的运动部件状态信息向量x，求解并联冗余柔索机构的雅可比矩阵J，雅可比矩阵维度为6×m，m≥6为控制柔索数量；

步骤(4)、通过步骤(1)所获得的m、I_xx、I_yy、I_zz与步骤(2)所获得的并联冗余柔索机构状态信息x、运动误差e，求解伺服控制伪指令f，伺服控制伪指令的维度为6×1；