带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法及装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113954077A(43)申请公布日2022.01.21(21)申请号202111344589.3(22)申请日2021.11.15(71)申请人天津大学地址300072天津市南开区卫津路92号(72)发明人马书根王鹏任超(74)专利代理机构天津市北洋有限责任专利代理事务所12201代理人李林娟(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)B25J13/00(2006.01)权利要求书2页说明书15页附图6页(54)发明名称带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法及装置(57)摘要本发明公开了一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法及装置，方法包括：考虑关节约束与执行器配置奇异点避免，将逆运动学控制器的控制目标描述为一个多目标优化问题，转化为带有约束的二次规划问题；提出一动态递归神经网络求解二次规划问题，产生一逆运动学优化控制器作为外环控制器，该外环控制器用于生成广义坐标期望轨迹；针对状态约束问题，在内环基于障碍李雅普诺夫函数设计了动力学控制器，将广义坐标期望轨迹作为动力学控制器的输入，使用径向基函数神经网络估计USM总的动力学未知项，将动力学未知项作为扰动补偿项加入到动力学控制器中。装置包括：处理器和存储器。本发明解决了关节物理极限避免和能量优化问题。CN113954077ACN113954077A权利要求书1/2页1.一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：以恢复力矩最小化和末端追踪为目标，考虑关节约束与执行器配置奇异点避免，将逆运动学控制器的控制目标描述为一个多目标优化问题，将优化问题转化为带有约束的二次规划问题；提出一动态递归神经网络来实时求解二次规划问题，产生一逆运动学优化控制器作为外环控制器，该外环控制器用于生成广义坐标期望轨迹；针对状态约束问题，在内环基于障碍李雅普诺夫函数设计了动力学控制器，将广义坐标期望轨迹作为动力学控制器的输入，使用径向基函数神经网络估计USM总的动力学未知项，将动力学未知项作为扰动补偿项加入到动力学控制器中，实现末端执行器的轨迹跟踪控制。2.根据权利要求1所述的一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法提出一正定标量函数，用于评估恢复力矩对机器人系统的作用大小：σ＝gTg其中，g表示了恢复力矩对机器人系统的影响，T为转置，σ为提出的正定标量值。3.根据权利要求2所述的一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述多目标优化问题为：yed＝f(ξ)qmin≤q≤qmax其中，kμ＞0表示执行器配置奇异点避免任务的惩罚因子，kσ＞0表示恢复力矩最小化任务的惩罚因子，μ为执行器配置奇异性评价指标，ξ为机器人广义坐标，f(ξ)为机器人从广义坐标到末端执行器位姿的映射函数，yed为末端执行器期望轨迹，q为关节角度，qmax为最大关节角度，qmin为最小关节角度。4.根据权利要求3所述的一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述将优化问题转化为带有约束的二次规划问题具体为：其中，为期望关节角度，ζd为广义坐标期望速度，Jμ为在速度层面广义坐标到执行器配置奇异性评价指标的映射矩阵，Jσ为在速度层面广义坐标到恢复力矩评价指标的映射矩阵，Je为在速度层面广义坐标到末端执行器位姿的映射矩阵，为末端执行器期望速度，为关节角期望速度，Ω为关节角速度的有效集合。5.根据权利要求4所述的一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，2CN113954077A权利要求书2/2页其中，εμ＞0是目标函数中执行器配置奇异点避免优化任务的最大权重，εσ＞0是目标函数中恢复力矩最小优化任务的最大权重，αμ,ασ＞0控制着kμ和kσ的变化速度；引入一阶滤波器：其中，kζ＞0表示滤波的平滑因子，ζdr表示基于循环神经网络求得的冗余解，ζd表示滤波后的期望速度。最终，通过对广义坐标期望速度ζd积分可以得到广义坐标的期望轨迹ξd。6.一种带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制装置，其特征在于，所述装置包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述处理器调用存储器中存储的程序指令以使装置执行权利要求1‑5中的任一项所述的方法步骤。7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述程序指令被处理器执行时使所述处理器执行权利要求1‑5中的任一项所述的方法步骤。3CN113954077A说明书1/15页带有能量优化的水下游动机械臂轨迹跟踪控制方法及装置技术领域[0001]本发明涉及水下游动机械臂跟踪控制领域，尤其涉及一种带有能量优化的水下游动机械臂轨