【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及机器人控制，尤其是一种面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法及控制系统。
技术介绍
1、目前，各种位置控制算法均侧重于满足系统的稳态性能，而较少关注系统的瞬态性能。预设性能控制(prescribed performance control，ppc)主要就是为了保证系统的暂态性能和稳态性能而提出的；预设性能是指针对受控系统的状态(误差)人为设定性能包络，预设性能函数通常被设计为一个被渐渐衰减的函数。如果跟踪误差在随时间变化的过程中能够一直处在预设性能函数包络范围内，那么就达到了定量化设计跟踪误差的瞬态性能如趋近速率、上调量、下调量等)与稳态性能(如控制精度)的目的。
2、公开号为cn 114509949 a的说明书公开了一种机器人预定性能控制方法，包括以下步骤：利用动态面控制方法递推设计虚拟控制变量、实际控制输入及自适应更新律；构建同时满足状态约束条件和给定的稳态误差性能指标的funnel误差量；构建系统的lyapunov函数；对lyapunov函数求导，将设计好的虚拟控制变量、实际控制输入和自适应更新律代入lyapunov函数的导数，根据lyapunov稳定性理论判定所有闭环系统变量最终一致有界，证明部分状态约束条件没有被违反，并得到跟踪误差、收敛时间的确定性表达式，确保控制性能指标满足设计要求。
3、公开号为cn 116225043 b的说明书公开了一种基于干扰观测器的四旋翼无人机预定性能控制方法，包括以下步骤：建立四旋翼无人机的六自由度非线性数学模型；将六自由度非线性数学模型整理
4、公开号为cn 118286034 a的说明书公开了一种面向瞬态性能增强的髋关节外骨骼机器人控制方法，包括：建立髋关节外骨骼的动力学模型；依据髋关节外骨骼的动力学模型，构建系统状态空间方程；对传统的性能函数进行改进，获得改进后的性能函数；基于改进后的性能函数、系统状态空间方程，设计基于改进性能函数的控制器。现有技术中的改进性能函数是在双曲正切型性能函数加入了辅助函数，在需要快速、有效地处理大误差的情况下不具有优势，特别是在对快速收敛和强烈性能恢复有高要求的应用中；且现有技术中采用的性能函数形式较为复杂，参数调整不够灵活。不能灵活地根据控制需求或系统动态特性调节性能函数的严格性和反应速度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种柔性关节预设性能函数设计方法，面向协作机器人的人机交互场景，避免偶尔陡变的外力矩导致控制器失稳，增强预定性能控制的瞬态性能，提高控制系统的响应速度和精度，实现准确跟踪人机交互轨迹。
2、一种面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，包括：
3、步骤1：建立协作机器人柔性关节刚柔耦合动力学模型；
4、步骤2：定义跟踪误差，在传统预设性能函数上增加高斯核函数，形成高斯核-预设性能函数作为约束条件；
5、步骤3：根据跟踪误差和高斯核-预设性能函数，进行误差变换，获得无约束误差；
6、步骤4：根据无约束误差，通过动态面控制方法设计柔性关节的非线性位置控制器；
7、步骤5：通过双径向基神经网络估计外部干扰，用估计值替换所述非线性位置控制器中的外部干扰项，获得非线性位置控制器的虚拟控制律及实际控制律。
8、进一步地，所述步骤1中，建立柔性关节刚柔耦合动力学模型的过程具体如下：
9、(1-1)柔性关节电机端的惯量jm和连杆端惯量jl由关节柔性分离，jm和jl分别会受到电机端粘滞阻尼bm和连杆端粘滞阻尼bl的作用，因此柔性关节刚柔耦合动力学模型可以表示为：
10、
11、其中，τm为待求的柔性关节电机端输入力矩，即非线性位置控制器的修正后实际控制律；n是谐波减速器的减速比，τext是外力矩传感器测量出的外力矩，k是关节刚度，m是负载质量，g是重量加速度，l是连杆长度；e1是非匹配性干扰，e2是匹配性干扰；x1表示电机端位置，x2表示电机端速度，x3表示连杆端位置，x4表示连杆端速度。
12、进一步地，所述步骤2中，设计高斯核-预设性能函数过程具体如下：
13、(2-1)定义连杆的参考运动轨迹为x1r，在外力矩τext作用下，经由导纳控制器生成的轨迹为其中md为虚拟惯量，bd为虚拟阻尼，kd为虚拟刚度，s是从时域到频域的复变量。
14、获得连杆的期望运动轨迹为x1d＝x1c+x1r，定义连杆输出端的跟踪误差为e1＝x1-x1d；跟踪误差e1的跟踪精度应当满足其中，δ和是正常数，ρ(t)为高斯核-预设性能函数。
15、(2-2)所述高斯核-预设性能函数可以表示为：
16、ρ(t)＝(ρ0-ρ∞-ρg(t))exp(-γt)+ρ∞+ρg(t)
17、其中，ρ0、ρ∞、γ是预设的正常数，ρg(t)是一个高斯核函数，可以表示为：
18、
19、其中，n是人机交互过程中外力矩突变的次数，具体数值可以通过外力矩τext的微分信号来确定；hj、aj、bj分别是的高度、中心点宽度。
20、ρg(t)是所述高斯核-预设性能函数中的松弛项，当人机交互过程中出现陡变的外力矩时，所述高斯核函数可以放松预设性能函数的边界，避免位置控制器由于约束过紧而产生电流饱和，从而避免控制器失稳。
21、(2-3)更进一步地，所述高斯核函数ρg(t)对时间的微分表示为：
22、
23、对时间的微分表示为：
24、
25、进一步地，所述步骤3中，进行误差变换，获得无约束误差的过程具体如下：
26、(3-1)选取一个严格单调递增的双曲正切函数作为误差转换函数φ(ε1)，把实际被约束的跟踪误差e1转化为可控的无约束误差ε1：
27、
28、所述误差转换函数的范围在预设区间内。
29、对所述误差转换函数求逆，获得无约束误差ε1：
30、
31、(3-2)更进一步地，所述无约束误差ε1对时间的微分表示如下：
32、
33、其中，
34、
35、对时间的微分表示如下：
36、
37、其中，
38、获得将ε1用于非线性位置控制器设计的条件：当ε1收敛时，能够实现e1预设的性能。
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1.一种面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，包括：
2.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤1中，柔性关节刚柔耦合动力学模型表示为：
3.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤2中，定义的跟踪误差表示为：
4.根据权利要求3所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述高斯核-预设性能函数ρ(t)表示为：
5.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤3中，所述的误差变换采用的误差变换函数φ(ε1)表示为：
6.根据权利要求5所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，实现跟踪误差e1预设性能的条件为无约束误差ε1收敛。
7.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤4中，非线性位置控制器的虚拟控制律为：
8.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔
9.根据权利要求8所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，通过双径向基神经网络估计外部干扰表示为：
10.一种面向人机交互场景的柔性关节预设性能控制系统，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，包括：
2.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤1中，柔性关节刚柔耦合动力学模型表示为：
3.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤2中，定义的跟踪误差表示为：
4.根据权利要求3所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述高斯核-预设性能函数ρ(t)表示为：
5.根据权利要求1所述的面向人机交互场景的柔性关节预设性能函数设计方法，其特征在于，所述步骤3中，所述的误差变换采用的误差变换函数φ(ε1)表示为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈思鲁，万红宇，孔祥杰，张驰，杨桂林，
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：
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