【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机器人，涉及一种软体机器人驱动器，具体涉及一种气动人工肌肉位置跟踪控制系统及算法。
技术介绍
1、随着材料科学、仿生学、机器人学、计算机科学等领域的蓬勃发展，利用相关技术和学科孕育而生的软体机器人驱动器及其应用成为了机器人领域的研究热点之一。在众多软体机器人驱动器中，气动人工肌肉因其结构简单、柔顺性好、输出力大、功率质量比高等优点脱颖而出。然而，由于气囊和编织物的柔顺特性及注入气体过程中气囊和编织物之间的摩擦等因素，气动人工肌肉具有较强的非线性特性和时变特性，其严重影响了驱动系统的运动精度。
2、同时，由于气动人工肌肉中的橡胶等软体材料具有弹性，且气动人工肌肉内部气体具有可压缩性，致使其对负载变化和外界干扰较为敏感。常用的技术手段是借助于神经网络与模糊逻辑系统对未知非线性函数的强大逼近能力设计控制策略，或在控制器中引入自适应技术进行参数辨识。但是，这些方法无法实现绝对精准的函数逼近，且大量在线学习参数的实时更新更是增加了算法的计算负担和复杂性。值得注意的是，自适应技术通常被用于辨识时不变的未知参数，其无法直接对含有未知且时变参数的非线性系统进行控制器设计。
技术实现思路
1、为了解决经典pi/pid控制器无法获得令人满意的对气动人工肌肉的控制精度和神经网络、模糊逻辑系统或自适应技术无法完全补偿系统非线性函数以及带来的算法计算负担等问题，本专利技术提供了一种气动人工肌肉位置跟踪控制系统及算法。本专利技术无需使用自适应机制、神经网络以及模糊逻辑系统辨识模型未知
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种气动人工肌肉位置跟踪控制系统，包括轨迹生成器cr、气动人工肌肉的闭环系统，其中：
4、所述气动人工肌肉的闭环系统包括反馈控制器c、气动人工肌肉的模型p；
5、所述轨迹生成器cr生成气动人工肌肉的期望运动轨迹yd，气动人工肌肉的闭环系统根据气动人工肌肉的实际运动轨迹y减去气动人工肌肉的期望运动轨迹yd，得到气动人工肌肉的位置误差误差e，气动人工肌肉的位置误差信号e经过反馈控制器c得到控制信号u，控制信号u作用于气动人工肌肉的模型p，得到气动人工肌肉的实际运动轨迹y。
6、一种利用上述跟踪控制系统进行气动人工肌肉位置跟踪控制的算法，包括以下步骤：
7、步骤(1)建立如下气动人工肌肉的非线性输出反馈系统：
8、
9、其中，x＝[x1，...，xn]t表示系统状态；i作为下标表示第i个式子，n为系统阶数；u表示系统输入；y表示系统输出；fi(η，y)、fn(η，y)和di(x，t)、dn(x，t)分别表示非线性函数和干扰；
10、非线性输出反馈系统的控制目标为系统输出的实际位置y(t)跟踪轨迹生成器cr生成的期望位置yd(t)，位置误差信号e(t)被描述为：
11、e(t)＝y(t)-yd(t)
12、步骤(2)建立如下气动人工肌肉的输入驱动滤波器：
13、
14、其中，l1，...，ln表示多项式系数，该多项式具有如下形式：
15、h(s)＝xn+l1xn-1+l2xn-2+...+ln-1x+ln
16、输入驱动滤波器的误差ei被描述为：
17、
18、步骤(3)将非线性输出反馈系统与输入驱动滤波器结合，得到气动人工肌肉模型的集总系统p，其描述为：
19、
20、可以看出，系统中的状态是可用的，因此，步骤(4)中的控制器设计将基于集总系统；
21、步骤(4)基于气动人工肌肉模型的集总系统设计气动人工肌肉的反馈控制器c，具体步骤如下：
22、步骤(41)设计调节函数φ(t)：
23、
24、其中，ts＞0表示设计参数；
25、利用调节函数分别对位置误差变量e(t)和系统状态进行调节：
26、z1(t)＝φ(t)(y(t)-yd(t))
27、
28、其中，z1(t)表示调节后的误差变量；zi(t)表示调节后的系统状态变量；
29、步骤(42)对调节后的位置误差进行转换，转换方式如下：
30、
31、其中，ai(t)表示转换后的误差，ki表示控制器参数，且满足条件ki＞0；
32、步骤(43)基于反步法设计过程，设计如下反馈控制器c：
33、α1(t)＝-c1h1(t)
34、
35、u(t)＝αn(t)
36、
37、其中，ci和β分别表示控制器参数，且满足ci＞0和β＞0；α1，...，αn-1表示虚拟控制律；
38、步骤(5)在位置跟踪中，给定初始位置，初始位置作为实际位置的第一个点，与期望位置作差得到位置误差信号e，位置误差信号e经过反馈控制器c中的调节函数和变换方式转换为虚拟控制率α，即控制信号u，控制信号u在模型p中转换为实际位置y，y反馈回去与期望输入的第二个点作差，以此循环逐渐减小跟踪的误差，直到整个运动过程完成。
39、相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
40、1、为了解决含有较强非线性特性和时变特性的气动人工肌肉位置跟踪控制问题，本专利技术从非线性输出反馈系统角度出发，设计了一款结构简单的pi型输出反馈控制器，其可对气动人工肌肉的位置跟踪误差的超调量、收敛时间/速度以及稳态值进行预先设定，不仅保证了暂态和稳态跟踪性能，还确保了控制信号连续且无剧增现象。
41、2、本专利技术通过引入误差转换策略来实现跟踪误差的调整，可以实现精准的输出跟踪。
42、3、本专利技术不依赖系统非线性函数、干扰函数以及参考信号导数的信息，且未使用自适应机制、神经网络、模糊逻辑系统、干扰观测器等对未知项进行辨识，因此避免了大量在线学习参数的实时更新，本专利技术所设计的控制器不仅对系统信息的需求量少且结构简单。
43、4、本专利技术使用误差修正技术消除了在线设计控制器方法在对高阶系统设计过程中需对控制器参数进行复杂、繁琐的递归选取的限制。
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1.一种气动人工肌肉位置跟踪控制系统，其特征在于所述跟踪控制系统包括轨迹生成器Cr、气动人工肌肉的闭环系统，其中：
2.一种利用权利要求1所述跟踪控制系统进行气动人工肌肉位置跟踪控制的算法，其特征在于所述算法包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种气动人工肌肉位置跟踪控制系统，其特征在于所述跟踪控制系统包括轨迹生成器cr、气动人工肌肉的闭环系统，其中：
【专利技术属性】
技术研发人员：高席丰，张洲，刘欢，赵鹏越，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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