【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人，尤其涉及一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制方法及应用。
技术介绍
1、相比传统工业机器人的笨重设计和封闭式应用，协作机器人是由多个一体化柔性关节和轻质连杆串联而成的开链机构，因而能够提高机器人和人在开放环境中协同作业的安全和效率，已被广泛用于智能制造、医疗和教育行业中，但柔性关节造成较低的系统刚度会对机器人跟踪误差带来影响。在不改变结构的前提下，可通过运动控制技术这一经济的方式来提高跟踪精度。然而目前对柔性关节协作机器人的跟踪控制存在如下几个显著问题：
2、(1)大部分的柔性关节机械臂控制器采用分散式控制（如公开号为cn113183154a，cn112643670a，cn108181813a的中国专利技术专利等），即建立单个柔性关节全阶动力学模型，并基于此模型设计如基于反步法自适应控制器、基于滑模观测器以及基于分数阶滑模的控制器等，来补偿关节的柔性模态干扰实现关节稳定的信号跟踪控制。但是，该方法忽略各个连杆关节模组之间动态耦合特性，导致机械臂整体定位精度低。另一方面，纯分散式控制需要对每个关节进行多个控制参数整定，不利于多自由度协作机器人的快速部署。
3、(2)建立柔性关节机器人的全阶动力学模型，该方法能够揭示各个关节模组之间的力位响应特性和关节内部柔性模态。基于此，采用基于反步法的虚拟控制（如公开号为cn114839880a的中国专利技术专利）、基于奇异摄动的双时间尺度系统解耦（如公开号为cn112720456a的中国专利技术专利）、电机和连杆端系统解耦合（如公开号为cn1
4、(3)降阶的刚体动力学模型的复杂度较小并能够反映关节模组之间的耦合动态。基于此，关节柔性模态被视为外部扰动，这一般需要通过自适应神经网络估计器（如公开号为cn110877333a的中国专利技术专利）、滑模控制器（如公开号为cn117908362a的中国专利技术专利）等方法来补偿。但是，估计器的估计误差收敛慢、滑模控制律快速切换引起关节高频颤振等因素容易导致控制精度低。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制方法及应用。
2、为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
3、第一方面，本专利技术提供一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制方法，其包括：
4、基于柔性关节协作机器人的期望跟踪轨迹和实际操作点位移，采用误差滤波器计算组合误差；
5、基于所述组合误差，利用径向基神经网络模型计算前馈补偿项、利用自适应跃度控制计算反馈控制项；
6、加和所述前馈补偿项和反馈控制项，对所述柔性关节协作机器人的驱动电机进行控制；
7、其中，所述组合误差包括一阶误差、二阶误差和三阶误差，所述一阶误差为所述期望跟踪轨迹和实际操作点位移之间的跟踪误差，所述二阶误差与所述一阶误差及所述一阶误差的一阶微分线性相关，所述三阶误差与所述二阶误差及所述二阶误差的一阶微分线性相关；
8、所述自适应跃度控制包括pid子项和rise子项，所述rise子项采用鲁棒积分符号控制，包含自适应滑模增益和常值滑模增益，所述自适应滑模增益与所述二阶误差及所述二阶误差的一阶微分具有相关关系。
9、第二方面，本专利技术还提供一种上述柔性关节协作机器人控制方法的设计方法，其包括：
10、(1)基于降阶刚体动力学模型，得到误差动力学模型；
11、(2)定义所述柔性关节协作机器人在操作空间下的跟踪误差，设计基于速度和加速度信号的组合误差滤波器；
12、(3)基于组合误差和径向基神经网络模型，设计自适应前馈补偿控制器；使用自适应跃度设计鲁棒积分符号控制器；将所述前馈补偿控制器和鲁棒积分符号控制器组合，形成“自适应前馈+自适应跃度反馈”的二元控制架构；
13、(4)对所述组合误差滤波器进行分析，选定状态量，设计闭环误差状态方程，由所述闭环误差状态方程构建李雅普诺夫函数，并基于李雅普诺夫稳定性理论证明闭环系统的跟踪误差渐进收敛以验证所述柔性关节协作机器人控制方法。
14、第三方面，本专利技术还提供一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制系统，其包括：
15、组合误差模块，用于基于柔性关节协作机器人的期望跟踪轨迹和实际操作点位移，采用误差滤波器计算组合误差；
16、控制项计算模块，包括前馈补偿单元和反馈控制单元；基于所述组合误差，所述前馈补偿单元用于利用径向基神经网络模型计算前馈补偿项，所述反馈控制单元用于利用自适应跃度控制计算反馈控制项；
17、二元控制模块，用于加和所述前馈补偿项和反馈控制项，对所述柔性关节协作机器人的驱动电机进行控制；
18、其中，所述组合误差模块包括一阶误差单元、二阶误差单元和三阶误差单元，所述一阶误差单元用于获取所述期望跟踪轨迹和实际操作点位移之间的跟踪误差，所述二阶误差单元用于线性加和所述一阶误差及所述一阶误差的一阶微分线性获得二阶误差，所述三阶误差单元用于线性加和所述二阶误差及所述二阶误差的一阶微分获得三阶误差；
19、所述反馈控制单元包括pid子单元和rise子单元，所述rise子单元采用鲁棒积分符号控制逻辑，包含自适应滑模增益器和常值滑模增益器，所述自适应滑模增益器用于计算与所述二阶误差及所述二阶误差的一阶微分具有相关关系的自适应滑模增益。
20、基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
21、本专利技术所提供的柔性关节协作机器人控制方法减少了计算复杂度，提高了系统的实时计算能力，使得控制系统能够在高动态工况下保持较高的响应速度；自适应跃度的设计提升了系统对不确定性和外部扰动的抵抗能力，显著减少了柔性关节引起的高频颤振问题；简化了控制参数的调节过程，特别适合于多自由度协作机器人的快速部署。
22、上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述自适应滑模增益的计算方式表示为：
3.根据权利要求2所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述自适应跃度控制的微分表达式为：
4.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述组合误差的计算方式表示为：
5.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述前馈补偿项的计算表示为：
6.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，至少利用二元控制输入控制所述驱动电机，所述二元控制输入的计算方式表示为：
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述柔性关节协作机器人控制方法基于的动力学模型仅包含降阶刚体动力学模型，所述降阶刚体动力学模型表示为：
8.根据权利要求7所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述柔性关节协作机器人的闭环误差状态方程表示为：
10.一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于自适应跃度的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述自适应滑模增益的计算方式表示为：
3.根据权利要求2所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述自适应跃度控制的微分表达式为：
4.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述组合误差的计算方式表示为：
5.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，所述前馈补偿项的计算表示为：
6.根据权利要求1所述的柔性关节协作机器人控制方法，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈思鲁，孔祥杰，万红宇，杨威龙，胡翰泽，杨桂林，张驰，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。