【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机械臂控制，尤其是一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
1、空间机械臂在一系列航空航天活动中扮演着重要作用，例如在轨服务[1]，空间装配以及主动式空间碎片清理。随着航天技术的发展，诸如大惯量滚动目标捕获、大型航天器结构在轨组装、小行星捕获和采矿等未来空间任务对空间机械臂的负载能力和操作距离提出了更高的要求。
2、传统空间机械臂由电动机、减速器和制动器组成的旋转关节和碳纤维复合管组成，通过旋转关节处的齿轮系放大输出扭矩，其质量占机械臂总质量的85％～90％，重量成本不可忽视。
3、近些年，随着绳驱机械臂技术的快速发展，绳索传动可以实现驱动部分和运动部分的分离，减小机械臂的体积。然而，现有的绳索驱动机械臂面临着操作距离短、承载能力弱的问题。为弥补传统空间机械臂的绳驱机械臂在远距离、大扭矩空间任务中的不足，nasa提出了一种新型肌腱驱动空间机械臂。
4、但是由于机械臂尺寸较大，且含有大量柔性部件，其驱动需要多根绳索、多个电机协同控制，同时需要克服绳索受力产生的弹性变形以及相邻臂杆之间的强耦合运动影响，因此，如何保证肌腱驱动性能的可靠性，实现高精度鲁棒控制性能，成为当前新型肌腱驱动空间机械臂高速高精度轨迹跟踪控制研究中的一个难题。
5、为了解决这类复杂系统的高度不确定性、多部件协同驱动的高精度要求以及快速收敛问题。各类有限时间控制策略，包括自适应技术、非奇异终端滑模、神经网络等已成功应用于空间机械臂的轨迹跟踪控制，但这些控制方法收敛时间对系统初
6、固定时间控制给出了系统任意初始状态收敛时间的一致有界性，确保了调整时间仅由一个控制参数所决定。因此，基于固定时间稳定性概念的控制方案被广泛应用于机械臂的轨迹跟踪控制。尽管固定时间控制明显优于有限时间控制，但这些固定时间跟踪策略的收敛时间和控制增益之间存在复杂的关系，导致难以预先确定所需的稳定时间。而且制器设计繁琐复杂，限制了在实际工程中的应用。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，本专利技术设计的指定时间控制器能够保证系统跟踪误差自始自终保持在规定的范围内，并且在预设的时间内不受初始条件的影响而达到指定的跟踪精度。
2、本专利技术的技术方案为：一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：
3、s1)、建立肌腱驱动空间机械臂关节模型，以对肌腱驱动空间机械臂的动力学方程进行推导，并在旋转关节下将绳索张力变化映射到关节角度变化；从而完成机械臂高精度运动控制；
4、s2)、通过实际指定时间控制器控制机械臂关节角θ在指定时间内跟踪期望轨迹θd。
5、作为优选的，步骤s1)中，由于所述的肌腱驱动空间机械臂处于外太空环境中，因此，忽略系统所受重力，得到肌腱驱动空间机械臂动力学方程的表达式为：
6、
7、式中，m(θ)是惯性矩阵；θ是广义关节角变量；表示关节角加速度；表示关节角速度；表示科氏力和向心力矩阵，表示外部干扰项。
8、作为优选的，步骤s1)中，根据动力学方程，得到关节力矩与绳索长度变化之间的关系为：
9、jθf＝τs+τθ (2)；
10、
11、式中，jθ为系统雅可比矩阵，为关节模组i的映射关系矩阵；f为机械臂各绳索张力；τs表示绳索弹性损失力矩；τθ表示关节转角力矩。
12、作为优选的，步骤s1)中，假定绳索具有相同的弹性模量e和横截面积r，则绳索弹性损耗做功ws为：
13、
14、通过上述两边对关节转角θi微分，得到：
15、
16、f11、f12、f13、f14分别表示关节模组1的四根绳索张力；fn1、fn2、fn3、fn4分别表示关节模组n的四根绳索张力；ln1、ln2、ln3、ln4分别表示关节模组n的四根绳索长度；l11、l12、l13、l14分别表示关节模组1的四根绳索长度。
17、作为优选的，步骤s1)中，所述的绳索li与关节转角θi之间的映射关系为：
18、
19、式中，li1、li2、li3、li4分别表示关节模组i的四根绳索长度；li和li+1分别表示连杆i和连杆i+1上卷筒中心到吊具转轴中心之间的距离；r为绳索收放卷筒半径；s为吊具端部到关节转轴之间的距离；为吊具端部到吊具转轴处的连线与吊具轴线之间的夹角；θi为相邻连杆之间的关节转角。
20、作为优选的，步骤s1)中，通过对(3)式两边同时求导得到：
21、dli＝jqidθi；
22、
23、式中，jqi为关节模组i映射雅可比矩阵；为吊具与连杆之间的关节转角；t为转置操作；
24、作为优选的，步骤s1)中，所述的吊具端部到关节转轴之间的距离s为：
25、
26、吊具端部到吊具转轴处的连线与吊具轴线之间的夹角为：
27、
28、式中，h和d分别为吊具单侧的高度和宽度。
29、作为优选的，步骤s2)中，定义机械臂关节角度跟踪误差为：
30、
31、式中，θ为机械臂关节角；θd为跟踪期望轨迹。
32、作为优选的，步骤s2)中，为了使机械臂关节角度的跟踪误差在指定时间内收敛至规定的精度，引入指定时间性能约束函数β(t)：
33、
34、其中，0<t<∞表示预先指定收敛时间，0<ε<∞表示系统稳定时跟踪精度；2p≥n+1且p为正整数；
35、β(t)在t∈[0,t]时从无穷单调递减至指定跟踪精度ε，并在t>t时保持在ε，因此，跟踪误差满足下列约束：
36、
37、通过调节预先指定收敛时间t和系统稳定时跟踪精度ε使得关节角跟踪精度在指定时间t内满足
38、作为优选的，步骤s2)中，通过引入一个新的变化函数来实现对跟踪误差进行约束：
39、
40、其中，h(γ(t))为复合函数；为边界函数；c>0为控制参数；a>cε2为控制参数；ξ1(t)为性能函数。
41、作为优选的，步骤s2)中，所述的性能函数ξ1(t)具有如下性质：
42、1)仅当时，ξ1(t)＝0；
43、2)当时，ξ1(t)→∞；
44、3)当γ(t)>a时，h(γ(t))＝1，从而
45、作为优选的，步骤s2)中，通过对(4)式中的ξ1(t)求导，得到：
46、
47、其中：
48、
49、式中，为性能函数ξ1(t)的导数；为跟踪误差的导数；h为h(γ(t))的简写；p为控制参数；为指定时间性能约束函本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S1)中，由于所述的肌腱驱动空间机械臂处于外太空环境中，因此，忽略系统所受重力，得到肌腱驱动空间机械臂动力学方程的表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S1)中，根据动力学方程，得到关节力矩与绳索长度变化之间的关系为：
4.根据权利要求3所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S1)中，假定绳索具有相同的弹性模量E和横截面积R，则绳索弹性损耗做功Ws为：
5.根据权利要求4所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S1)中，所述的绳索li与关节转角θi之间的映射关系为：
6.根据权利要求1所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S2)中，定义机械臂关
7.根据权利要求6所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S2)中，为了使机械臂关节角度的跟踪误差在指定时间内收敛至规定的精度，引入指定时间性能约束函数β(t)：
8.根据权利要求7所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤S2)中，通过引入一个新的变化函数来实现对跟踪误差进行约束：
9.根据权利要求8所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：将式(1)的肌腱驱动空间机械臂动力学方程改写成n阶系统形式如下：
10.根据权利要求9所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：假设未知时变干扰项di(t)是有界的，即存在正数Di，使得|di(t)|<Di；
...【技术特征摘要】
1.一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s1)中，由于所述的肌腱驱动空间机械臂处于外太空环境中，因此，忽略系统所受重力，得到肌腱驱动空间机械臂动力学方程的表达式为：
3.根据权利要求2所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s1)中，根据动力学方程，得到关节力矩与绳索长度变化之间的关系为：
4.根据权利要求3所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s1)中，假定绳索具有相同的弹性模量e和横截面积r，则绳索弹性损耗做功ws为：
5.根据权利要求4所述的一种基于实际指定时间的肌腱驱动空间机械臂轨迹跟踪控制方法，其特征在于：步骤s1)中，所述的绳索li与关节转角θi之间的映射关系为：
6.根据权...
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