[发明专利]一种基于扰动观测器的机械手主次协调控制方法

摘要

一种用于机械手的扰动观测器与主次协调控制方法，针对机械手抓取物体时，操作环境复杂，抓握物体信息未知，传感器缺乏和环境中存在扰动的问题，以及现有的力传感器由于接触点不确定，检测信息不全等限制，本发明提供一种扰动观测器用于估计环境中的扰动信息，再利用估计出来的扰动量，结合被抓取物体估计的质量、刚度及其表面的摩擦系数，估计反射控制中的反射抓握力，最后结合主模式控制方法，建立主次协调控制策略，控制机械手在扰动作用下稳定地抓取物体。替代了只能通过高成本传感器获取扰动信息的传统方法，方法简单有效，提高了机械手稳定可靠抓取问题的效率，同时分析了扰动观测器的误差，为精确分析机械手抓取过程中的扰动奠定了基础。

主权项

1.一种机械手的扰动观测器与主次协调控制方法，特别适用于机械手在不确定的环境下抓取物体等操作，其特征在于包括以下步骤：首先建立机械手的动态模型，由于机械手有力传感器，能够抓取力信息，基于此，建立一个非线性的扰动观测器，同时分析了扰动观测器的误差；再利用估计出来的扰动量，结合被抓取物体估计的质量、刚度及其表面的摩擦系数，估计反射控制中的反射抓握力；最后结合主模式控制方法，建立主次协调控制策略，控制机械手在扰动作用下稳定地抓取物体；建立机械手的扰动观测器及主次协调控制方法的具体步骤如下：第一步，建立机械手动态模型：机械手动态模型为                       （1）其中为关节的角位移，为惯性矩阵，为重力、摩擦力等引起的关节转矩，为驱动力矩，为驱动力矩对机械手某一关节的耦合系数（对于单自由度机械手，），为雅克比矩阵；表示被抓去物体对机械手的反作用力，可采用如下的模型表示：                                  （2）其中：表示机械手与物体接触点的位置，表示被抓取物体的刚度矩阵，表示接触点到关节点的距离矩阵，将（2）代入（1）得到                        （3）式中，；第二步：建立扰动观测器的：设                             （4）式中为非线性函数，其表达式为：            （5）式中表示扰动量，基于式(4)，建立一个非线性扰动观测器：                    （6）式中为状态变量，为机械手抓取力，为系数，表示饱和函数，采用如下形式的李雅普诺夫函数进行误差分析：                     （7）式中，，和表示正常数，经推导得：            （8）式中，，，为式(5)给出的非线性函数；第三步，建立主次协调控制策略的：参照图2，当物体被检测到滑移时，就需调节机械手的抓握力，抓握力的调整采用如下自适应的方式进行；假若主模式抓握力较小，此时有，物体在重力作用下产生滑移，取反射期望抓握力为：                               （9）式中为扰动观察器的输出，为获得滑移信息之前的量，与为加权系数，为如下表达式：                                （10）其次，如果主模式抓握力能够稳定抓握物体，但外界扰动引起物体滑移时，此时有，物体在扰动作用下产生滑移，设计扰动自适应调整方式为：                               （11）在主模式控制的抓握下，根据多指协调控制策略，机械手各个手指抓握力的期望值为，表示参与抓握的手指数量，同理，根据机械手期望抓握力，得到各手指期望抓握力为；根据主次协调控制的原理，最后主与次控制的增量如下：                              （12）式中表示模糊控制器，即将输入映射为控制输出，基于前述的扰动观察器，得到：                    （13）式中，最后得到：                                （14）为主次协调的控制量。