基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115816453A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211531085.7(22)申请日2022.12.01(71)申请人浙江钱塘机器人及智能装备研究有限公司地址310002浙江省杭州市钱塘新区白杨街道2号大街501号6-1310(72)发明人商巍邹宇晗李立军章正飞李靖刘宇帆(74)专利代理机构武汉世跃专利代理事务所(普通合伙)42273专利代理师万仲达(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)权利要求书4页说明书11页(54)发明名称基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法(57)摘要本发明提出了一种基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，保证电缆驱动机械臂在复杂未知不确定性条件下的高精度轨迹跟踪控制。首先，设计关节的误差范围，在保证机械手安全性能的同时，保证关节位置与期望轮廓的偏差不太大，并利用时滞估计对剩余的集总系统动力学进行估计和补偿。其次，利用安全约束函数对角度错误期望进行设计分析，使不同截面的约束在统一的系统体系结构中处理；通过严格的分析，解决了带有输出约束和不确定性的机械臂运动轨迹问题。超螺旋自适应控制有效地保证了算法在满足运行中所有约束条件下的快速、准确和鲁棒收敛，并利用李雅普诺夫方法对闭环控制系统的稳定性进行了分析。CN115816453ACN115816453A权利要求书1/4页1.基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，建立机械臂的动力学模型，用于描述机机械臂状态；步骤2，使用TED延时估计动力学模型中的参数；步骤3，进行滑膜面的设计，方便下一步控制方法的设计，包括以下子步骤；步骤3.1，引入对关节位置误差的安全约束，为实际关节位置和期望关节位置之间的误差设定一个安全范围，使其有一个上限和下限，以确保电缆驱动机械臂的准确和正常运行；步骤3.2，利用安全约束函数，结合障碍函数对角度误差期望进行设计分析，使不同截面的约束在统一的体系结构中处理；步骤3.3，根据机械臂的关节位置运动学原理设计滑模面；步骤4，利用滑膜面，进行终端滑模控制器的设计。2.如权利要求1所述的基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，其特征在于：步骤1中建立的具有n个自由度的机械臂的动力学模型表示为：式中，J和dm是电机惯性和阻尼矩阵，q和θ是关节和电机位置向量，分别表示对q和θ求一阶导数和二阶导数，M(q)是惯性矩阵，是科里奥利/离心矩阵，g(q)是引力，则是摩擦矢量，τm和τs分别为电机给出的控制转矩和关节柔度转矩，ds为阻尼矩阵，ks为关节刚度矩阵，τd表示集总未知不确定性；为了方便使用TDE方案，将(2)代入(1)，应用常数参数得到:其中，f的表达式为：3.如权利要求2所述的基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，其特征在于：步骤2中利用TED方案求出f的估计值式中Δt为延迟时间，将动力学模型(4)带入(6)可得：由(6)和(7)可以看出，TED方案的目的是仅使用控制和加速度信号的时滞值估计集总系统动力学，然后给出一种无模型方案；在工程运用中，us(t‑Δt)可以由us的直接时滞得出，利用数值微分法得到2CN115816453A权利要求书2/4页其中，时间节点t0≥2Δt，在初始阶段时t≤2Δt，q(t)具有实际测量值，而q(t‑2Δt)会被手动置零，从而可能导致强烈波动，因此(8)用来缓解可能存在的强烈波动。4.如权利要求3所述的基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，其特征在于：步骤3.1的具体实现方式如下；定义机械臂的姿态跟踪误差为：eQ＝[eq1,eq2]＝Q‑Qdi(10)TT其中，Q＝[q1,q2]，eq1,eq2分别指的是关节一和关节二的误差，Qdi(t)＝[qd1(t),qd2(t)]，根据起止位置、速度、加速度和弹道时间t，可以构造6个方程，求解5阶多项式的6个系数，得到Qdi(t)；姿态跟踪误差必须满足如下条件：‑ΩLi(t)<eqi(t)<ΩHi(t)(11)其中，对于所有的t≥0，约束函数ΩLi和ΩHi是二阶可导函数，满足安全约束(10)‑(12)要求姿态跟踪误差不超过用户定义的范围，其中各自由度剖面上的约束函数不同，如果违反约束要求(10)，会影响机械臂的运动性能，使其动力学系统不稳定，导致系统失效；在这一步中，定义了机械臂关节角Q的误差eQ，它满足eQ＝Q‑Qdi的方程，qd是人为给定的关节位置期望，q的取值范围为‑π<qi<π；定义ω为q的导数，用反步法得到‑π<qi<π，eω为ω的误差，其导数为：5.如权利要求4所述的基于TDE的自适应超螺旋多变量快速终端滑模控制方法，其特征在于：步骤3.2中障碍