一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，涉及机器人系统控制领域，无需要力传感器，以解决现有传感器造价高，影响系统动态模型等不足。本发明专利技术仅依据电机编码器可以得到机器人的关节位置，运用预设时间力观测器估计出机器人实际所受到的力，从而最大程度的替代了力传感器的作用，不需要安装价格昂贵且易损坏的力传感器，且可以按照需要调节力观测器的观测时间，节约了开发成本。节约了开发成本。节约了开发成本。

【技术实现步骤摘要】
一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法


[0001]本专利技术涉及机器人系统控制领域，尤其是一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法。

技术介绍

[0002]机器人力控制在磨光、装配、示教中有着广泛的应用。单纯的位置控制会由于位置误差而引起过大的作用力，从而会伤害零件或机器人。机器人在这类运动受限环境中运动时，往往需要配合力控制来使用。位置控制下，机器人会严格按照预先设定的位置轨迹进行运动。若机器人运动过程中遭遇到了障碍物的阻拦，从而导致机器人的位置追踪误差变大，此时机器人会努力地“出力”去追踪预设轨迹，最终导致了机器人与障碍物之间巨大的内力。而在力控制下，以控制机器人与障碍物间的作用力为目标，当机器人遭遇障碍物时，会智能地调整预设位置轨迹，从而消除内力。
[0003]目前实现力控制的方法主要有两种，一是阻抗控制，二是力/位混合控制。阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而是通过控制力和位置之间的动态关系来实现力控制的功能。力/位混合控制是根据作业需求对力和位置分别进行控制。无论是哪种方式都需要力的接触，实现力的测量目前大都采用的是力传感器测量外力。但是由于力传感器造价高，易损坏，且一些机器无法安装的情况。
[0004]考虑到收敛时间对系统性能的影响，有学者提出固定时间力观测器，或者有限时间力观测器用以替代力传感器，由于有限时间控制需要考虑初值的影响，固定时间控制不方便收敛时间的调整，一种更方便时效的力观测器设计方法的研究很有价值。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，无需要力传感器，以解决现有传感器造价高，影响系统动态模型等不足。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1：根据机器人有三个由独立伺服电机进行驱动的关节，建立机器人动力学模型，对未知参数进行辨识；
[0008]步骤S2：采用单独的P+d控制器控制机器人的每一个关节运动；
[0009]步骤S3：根据机器人的位置编码器，获取机器人的关节位置信号；
[0010]步骤S4：采用阻抗控制，将外力用于生成关节目标轨迹；
[0011]步骤S5：将步骤S3和步骤S4得到的关节位置信号和关节目标轨迹相减计算得到关节位置误差量；
[0012]步骤S6：设计一个预设时间微分器，获得机器人系统的速度信号和加速度信号；
[0013]步骤S7：基于滑模控制和干扰观测器原理，设计一个预设时间力观测器；
[0014]步骤S8：建立李亚普诺夫方程，证明所给定的预设时间；
[0015]步骤S9：将观测出来的力反馈到控制器的设计中用于对机器人进行控制，将观测到的外力和实际外力进行比较，用以验证力观测器的准确性。
[0016]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S1中机器人动力学模型的公式为：
[0017][0018]式中q∈R3为关节位置信号；为关节速度信号；M(q)∈R3×3为系统的正定惯性矩阵；为哥氏力和离心力的向量；G(q)∈R3为重力力矩；F∈R3为机器人所受的环境力矩；τ∈R3为控制机器人的控制力矩。
[0019]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S2中机器人关节的控制器为
[0020][0021]式中，τ
i
是第i关节的控制器，i＝1,2,3，k
p
是比例系数，e
i
为第i关节位置的误差项，k
d
是阻尼系数，G
i
是第i关节的重力项，是第i关节的观测力。
[0022]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S3中机器人的实际关节位置信号表示为q＝[q1,q2,q3]T
。
[0023]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S4具体为：将外力信号转化为关节位置信号，转换公式为
[0024][0025]式中，由此可以得出系统的期望关节位置q
d
＝[q
d1
,q
d2
,q
d3
]T
。
[0026]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S5中关节位置误差量为：
[0027][0028]式中e＝[e1,e2,e3]T
。
[0029]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S6中预设时间微分器的公式为：
[0030][0031]其中，式子和是缩写，α是常数，*是任意变量，k1＝6，k2＝4.5，将q
i
作为预设时间微分器的输入，y2是预设时间微分器的输出速度信号当将速度信号作为预设时间微分器的输入时，y2是微分器的输出速度信号
[0032]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S7中设计预设时间力观测器的过程
为：
[0033]将(1)式系统整理成反馈系统，令x1＝q，
[0034][0035]其中，B＝(M)
‑1，F
x
＝(M)
‑1F，其中F
x
＝[F
x
,F
x
,F
x
]T
是未知的，其一阶导数是有界的，即L是一个已知的常数，通过设计w＝[w1,w2,w3]T
来对F
x
进行一个估计，也就是说
[0036]力观测器被设计为
[0037][0038]其中，z＝[z1,z2,z3]T
被用来估计x2，T1,T2＞0，k≥max{L}，0＜a＜1，并且
[0039]ε＝z
‑
x2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0040][0041]本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤S8中证明所给定的预设时间T1,T2的过程为：
[0042]对(8)式求导，再将(6)式和(7)式代入到求导后的式子中，得到
[0043][0044]基于(10)式和(9)式，得到力估计误差变量：
[0045]θ＝w
‑
F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0046]对式(8)，(11)得到下面式子：
[0047][0048]由(7)式的力观测器为滑模观测器，滑模控制分到达时间和沿着滑模面滑动时间；通过设计李亚普诺夫函数V
θ
推导力观测器的到达时间
[0049]V
θ
＝||θ||
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0050]对V
θ
进行求导，然后将(12)式代入到里面，得到
[0051][0052]其中，θ＝[|θ1|,|θ2|,...,|θ
n
|]T
∈R
n
，使用(|θ1|+|θ2|+...+|θ
n
|)≥本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤S1：根据机器人有三个由独立伺服电机进行驱动的关节，建立机器人动力学模型，对未知参数进行辨识；步骤S2：采用单独的P+d控制器控制机器人的每一个关节运动；步骤S3：根据机器人的位置编码器，获取机器人的关节位置信号；步骤S4：采用阻抗控制，将外力用于生成关节目标轨迹；步骤S5：将步骤S3和步骤S4得到的关节位置信号和关节目标轨迹相减计算得到关节位置误差量；步骤S6：设计一个预设时间微分器，获得机器人系统的速度信号和加速度信号；步骤S7：基于滑模控制和干扰观测器原理，设计一个预设时间力观测器；步骤S8：建立李亚普诺夫方程，证明所给定的预设时间；步骤S9：将观测出来的力反馈到控制器的设计中用于对机器人进行控制，将观测到的外力和实际外力进行比较，用以验证力观测器的准确性。2.根据权利要求1所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S1中机器人动力学模型的公式为：式中q∈R3为关节位置信号；为关节速度信号；M(q)∈R3×3为系统的正定惯性矩阵；为哥氏力和离心力的向量；G(q)∈R3为重力力矩；F∈R3为机器人所受的环境力矩；τ∈R3为控制机器人的控制力矩。3.根据权利要求2所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S2中机器人关节的控制器为式中，τ
i
是第i关节的控制器，i＝1,2,3，k
p
是比例系数，e
i
为第i关节位置的误差项，k
d
是阻尼系数，G
i
是第i关节的重力项，是第i关节的观测力。4.根据权利要求3所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S3中机器人的实际关节位置信号表示为5.根据权利要求4所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：将外力信号转化为关节位置信号，转换公式为式中，由此可以得出系统的期望关节位置q
d
＝[q
d1
,q
d2
,q
d3
]
T
。6.根据权利要求5所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S5中关节位置误差量为：
式中e＝[e1,e2,e3]
T
。7.根据权利要求6所述的一种针对机器人系统预设时间力观测器的设计方法，其特征在于：所述步骤S6中预设时间微分器的公式为：其中，式子和是缩写，α是常数，*是任意变量，k1＝6，k2＝4.5，将q
i
作为预设时间微分器的输入，y2是预设时间微分器的输出速度信号当将速度信号作为预设时间微分器的输入时，y2是微分器的输出速度信号8.根据权利要求7所述的一种针对机器人系...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚娜，郭郛，杨玉净，李军朋，骆曦，华长春，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：