采用位置測量的可重構機械臂分散控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種僅采用位置測量的可重構機械臂分散控制系統及控制方法，屬于 機器人控制系統及控制算法領域。
【背景技術】
[0002] 可重構機械臂是一類具有標準模塊與接口，且可W根據不同的任務需求對自身構 形進行重新組合與配置的機械臂。可重構機械臂的關節模塊包含了驅動、控制、傳感等單 元，可W使機械臂根據任務需要改變自身構形，使重構后的機械臂能夠對新的工作環境有 更好的適應性。一般來說，可重構機械臂可W生成的構形數量取決于關節模塊與連桿模塊 的類型，自由度，W及接口數量等等，通過對模塊的重新配置來實現多種不同的裝配構形， 并提供不同的輸出功率，從而表現出許多傳統機械臂所不具有的優勢，例如：可W通過構形 重構，添加或減少模塊來實現機械臂的結構柔性；為新型機械臂產品的開發提供一個低成 本高效率的測試平臺，W此鼓勵和推動新技術的開發與發展；縮短新技術的研發周期，并從 長遠角度降低新型機械臂的研發，測試和維護成本。
[0003] 在機械臂控制器設計中，所需的關節位置變量可W由編碼器精確測得，而所需的 關節速度通常需要使用速度計來測量，運些速度測量值含有大量噪聲，會嚴重影響控制器 的性能與精度。為了解決運個問題，一些學者構建了不同形式的速度觀測器，并采用觀測器 的輸出狀態值設計反饋控制器。然而，傳統的關節速度觀測器需要已知機器人完整的動力 學模型信息，使得控制系統結構變得復雜。因此，在僅采用位置測量的情況下對關節速度進 行觀測是該研究領域亟待解決的問題。
[0004] 為了獲得良好的控制精度，關節力矩反饋技術被廣泛應用在機械臂控制系統當 中。傳統方法是在機械臂末端加裝力矩傳感器來測量關節力矩，然而，對于可重構機械臂來 說，安裝關節力矩傳感器會損害其可靠性與堅固性，并使模塊結構變得復雜。一方面，用來 測量關節力矩的應變計易受溫度變化影響；另一方面，采用直接關節力矩測量進行可重構 機械臂動力學補償必然會產生關節力矩或其時間導數的代數環，使系統更容易受到未建模 不確定性及擾動的影響，從而使控制器產生明顯的抖振效應。因此，在無力/力矩傳感器 且存在模型不確定性的條件下，僅采用位置測量信息設計力矩觀測器對機械臂力矩進行觀 ，是實現可重構機械臂精確控制的重要前提。
[0005] 為了保證可重構機械臂在重構后具有良好的穩定性與精確性，在設計控制器時， 需要考慮控制系統的兼容性與可重構性，即在不改變控制參數的情況下，使控制器對于不 同的機械臂構形均具有良好的控制性能。為了滿足上述要求，傳統的集中控制方法需要消 耗大量的運算資源，當機械臂系統結構較為復雜時，控制器的穩定性與可靠性難W保證。
[0006] 綜上所述，在僅采用位置測量的情況下設計速度觀測器、力矩觀測器及符合模塊 化設計思想、復雜程度低、運算速度快、具有抖振抑制能力且對可重構機械臂模型不確定性 具有較強辨識與補償能力的控制系統及其方法是十分必要的。
【發明內容】
[0007] 為了解決傳統的可重構機械臂控制系統及其方法中存在的諸多問題，本發明提出 的一種采用位置測量的可重構機械臂分散控制系統及控制方法。
[000引本發明解決技術問題的方案是：
[0009] 采用位置測量的可重構機械臂分散控制系統，其特征是，包括增量式編碼器、直流 電機、諧波減速器、剛性禪合元件和連桿；所述增量式編碼器安裝在直流電機前端，用來測 量電機的位置變量；所述直流電機作為系統的驅動裝置，與諧波減速器相連接；所述諧波 減速器作為系統的減速裝置，實現減速及放大力矩的作用；所述剛性禪合元件安裝諧波減 速器后，與連桿相連接，用來增強系統的連接強度。
[0010] 采用位置測量的可重構機械臂分散控制方法，其特征是，該方法包括如下步驟：
[0011] 步驟一，進行系統初始化，檢測增量式編碼器讀數，得到位置測量信息，并基于該 信息建立非線性速度觀測器如下：
Il
[0013] 上式中，0i(t)為實際關節位置測量值，4(/).4:(/.)分別為關節位置與速度的觀測 值，g(，）為基于反雙曲正弦函數構建的非線性函數。通過觀測器的輸出得到口 ">， 即采用位置測量的情況下得到關節速度；
[0014] 步驟二，根據步驟一建立的非線性速度觀測器，建立擾動觀測模型如下：
[001引（'/,-("= I + (廠))加+ (乂。+ 1)(,.',([)-林+ ])(,,(H) JO J G
[0016] 其中,CO為系統擾動觀測值，A。，Al為正參數增益，S即（?）為標準符號函數， Gu(O),e"(T)分別為初始時刻與T時刻的速度觀測誤差，0《T《t;根據擾動觀測模 型，建立力矩觀測器如下：
(12)
[001引其中，§為關節力矩觀測值，y為電機摩擦系數，Im為電機轉動慣量，丫為傳動 比，
為等效粘滯系數；
[0019] 步驟=，采用步驟一、步驟二中得到關節速度及關節力矩的觀測值，建立可重構機 械臂系統動力學模型，給出模型不確定性的解析表達形式；
[0020] 可重構機械臂第i個關節動力學模型建立如下
(1巧
[002引其中，Imi為電機的轉動慣量，6；，弓分別為關節位置及加速度變量，^ = 為速 度觀測器的速度觀測值，Ui為電機輸出力矩，
為關 節間動力學禪合項，Zm與Ze分別為電機與關節的軸向單位向量，為關節摩擦； [002引令A-=[.v,i，A-,.J' =[6；.4]''，/二1，2,…，"，則式（13)可W變形為如下的狀態方程
M"
[002引其中，Xi,Yi分別為Si的狀態向量與輸出變量， 占=化"義-)-Ie披+，、P,你4)、巧你4)、月,(。，是苗)分別定義為
(16);
[0029] 步驟四，通過步驟一、步驟二及步驟=中給出的關節速度觀測器、力矩觀測器、期 望動力學信息及系統動力學模型，采用局部關節的動力學信息設計分散控制器，對包含模 型確定項、摩擦力建模誤差及關節間禪合項進行補償，抑制控制器抖振并使機械臂關節精 確跟蹤期望軌跡；
[0030] 首先，根據分散控制律形式，判斷模型確定項是否得到補償，若否，則帶入控制律 Ui。補償模型確定項；
(碼
[00礎其中，馬;，充，充J;,為一般摩擦力常數，4為關節速度觀測值，為為積分滑模函 數的導數，4的為關節期望軌跡的二階導數，ki為正常數增益，如O為關節位置誤差， 與耗）、g城）分別為關節初始位置誤差的一階、二階導數；
[0033]其次，若模型確定項已通過Ui。補償，則判斷摩擦力建模誤差是否得到補償，若否， 則帶入控制律Uii補償摩擦力建模誤差；
[0034]W社=如+巧4)掉+4) (24)
[00巧]其中，F(為）為摩擦力模型項，如、2I、為摩擦力建模誤差補償控制律；
[0036] 第S，若摩擦力建模誤差已通過Uii補償，則帶入控制律U12補償關節間禪合項 /?,(代每資)，控制律Ui2設計如下：
[0037] =片(0終（.S',.) +fA',，（/媒:（.V, )"7、 (321 \ ' .VI). J
[003引其中，d)ii(Si)、4)。柄）為已知正定函數，Kii(t)、Ki2(t)為可變增益函數；
[0039] 合并式（23)、（24)和（32)得到本發明提出的分散控制器Ui如下：
(34)
[0041] 最后，判斷系統是否達到最大運行時間，若是，則輸出結果并結束，若否則進入循 環步驟一。
[0042] 本發明的有益效果如下：
[0043] 1、本發明所述的可重構機械臂較傳統機械臂相比，具有高減速比、體積小、質量 輕、同軸裝配等優點，且具有較大的負載能力。
[0044] 2、本發明在僅采用位置測量且存在模型不確定性的條件下實現了可重構機械臂 的高精度控制，在提