[发明专利]一种多模态机械臂的异步滑模控制方法

说明书

本发明公开一种多模态机械臂的异步滑模控制方法，包括如下步骤：基于隐藏模态和参数不确定对多模态机械臂的影响，构建多模态机械臂的隐半马尔科夫切换系统；基于隐半马尔科夫切换系统的状态与模态信息，设计积分型滑模切换面；对积分型滑模切换面中滑模动态进行稳定性分析；基于稳定性分析结果中得到的线性矩阵不等式，计算满足隐半马尔科夫切换系统有限时间稳定性目标的滑模控制器参数；基于滑模控制器参数，设计观测模态依赖的异步滑模控制律；基于设计观测模态依赖的异步滑模控制律，进行滑模切换面可达性分析。本发明有效地抑制参数不确定性和非线性对机械臂的影响，解决多模态机械臂的异步滑模控制问题，提高机械臂的任务执行精度。

技术领域

本发明涉及机械臂技术领域，尤其涉及一种多模态机械臂的异步滑模控制方法。

背景技术

随着现代工业水平的发展，人类的物质生活水平不断提高，随之而来的是对生产力与生产工具先进程度的要求也日益增长。机器人作为第四次工业技术革命的代表性产物，其先进的表现形式得到了人们广泛的关注。机械臂作为机器人最关键的执行环节，通过模仿人类关节的运动形式，独立地完成实际生产中的任务安排，在现代化生产中处于不可或缺的重要位置。除了完成一些日常的动作譬如抓取、搬移物品等，机械臂还被广泛地应用在一些重要的领域，例如机械制造、医护医疗、空间探测以及灾难救援等。在机械臂控制的发展过程中，早期的PID等控制方法常被用在低速、低精度的机械臂工作场合。然而，伴随着工业化生产的日趋发展，对于机械臂关节速度与精度的要求也在不断提高，传统的PID控制已经不再满足控制需求。

众所周知，滑模控制具有较强的抗干扰性，在一定程度上提高机械臂系统的控制精度。例如，为了应对地外环境下的太阳风、极冷极热以及无氧真空等恶劣条件，航天宇航员工作时需要面临的风险瞬息万变。这种场景下，高精度的太空机械手臂便可以代替宇航员进行实验操作，有效克服环境困难；而在医疗领域中，高精度的机械臂可以帮助医生在复杂手术中游刃有余，有效减少人为失误，提高了精密手术的成功率，挽救病人生命。可见，如何有效抑制复杂环境因素对机械臂的影响，精确描述多模态机械臂的动态特性，解决多模态机械臂的滑模控制问题具有重要的研究意义。

多模态机械臂系统中存在的各种不确定因素，例如摩擦阻尼、未知干扰、信号漂移以及对于机械臂关节物理参数的测量不确定性带来的原始误差等，为机械臂控制算法的设计带来了巨大难度。同时，考虑到生产应用中的成本因素与机械臂物理结构的限制，原系统的模态信息在传输过程中并非直接可得，本发明引入隐半马尔科夫模型来描述异步切换机制下多模态机械臂的动力学特性。此外，许多实际工程系统，特别是机械臂系统在执行任务过程中往往会有暂态性能要求，本发明利用观测模态信息设计异步滑模控制律保证机械臂系统在有限的时间间隔内满足更好的瞬态性能。

综上分析，如何建立异步切换机制下多模态机械臂的动态模型，利用系统切换模态的可用信息设计新的积分型滑模切换面，进而设计机械臂的异步滑模控制律以保证机械臂的暂态性能是一个亟待解决的关键问题，具有重要的理论研究意义和应用价值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种多模态机械臂的异步滑模控制方法。为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种多模态机械臂的异步滑模控制方法，包括如下步骤：

基于隐藏模态和参数不确定对多模态机械臂的影响，构建多模态机械臂的隐半马尔科夫切换系统；

基于隐半马尔科夫切换系统的状态与模态信息，设计积分型滑模切换面；

对积分型滑模切换面中滑模动态进行稳定性分析；

基于稳定性分析结果中得到的线性矩阵不等式，计算满足隐半马尔科夫切换系统有限时间稳定性目标的滑模控制器参数；

基于滑模控制器参数，设计观测模态依赖的异步滑模控制律；

基于设计观测模态依赖的异步滑模控制律，进行滑模切换面可达性分析。