CN106493735B - 存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 - Google Patents
存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106493735B CN106493735B CN201611125097.4A CN201611125097A CN106493735B CN 106493735 B CN106493735 B CN 106493735B CN 201611125097 A CN201611125097 A CN 201611125097A CN 106493735 B CN106493735 B CN 106493735B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mechanical arm
- disturbance
- matrix
- flexible mechanical
- input
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 21
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 20
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 6
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 5
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000012636 effector Substances 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
- B25J9/1607—Calculation of inertia, jacobian matrixes and inverses
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1635—Programme controls characterised by the control loop flexible-arm control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1638—Programme controls characterised by the control loop compensation for arm bending/inertia, pay load weight/inertia
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法,用于解决现有柔性机械臂扰动控制方法控制精度差的技术问题。技术方案是对具有非最小相位特性的柔性机械臂动力学模型进行输出重定义,进一步得到输入输出子***以及内部动态子***。针对内部动态子***的镇定采用状态反馈控制;针对输入输出子***中存在未知干扰采用非线性扰动观测方法设计控制器实现***跟踪,提高了控制精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性机械臂扰动控制方法,特别涉及一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法。
背景技术
柔性机械臂具有质量轻、速度快、能耗低和操作空间大的优点,受到国内外的广泛关注;然而由于其结构特点,在运动过程中会产生形变和振动,给机械臂控制带来了一系列的难题,如难于建立精确数学模型、存在非最小相位特性、存在强非线性耦合以及容易受到外部扰动影响。
针对柔性机械臂的控制任务分为以下四类:末端执行器位置调节,固定时间内末端执行器定点运动,关节角轨迹跟踪,末端执行器轨迹跟踪;常见的控制方法大致分为以下几类:线性反馈控制、非线性反馈控制、自适应控制、鲁棒控制、滑模变结构控制、人工神经网络控制。
《末端有未知扰动的分布参数柔性机械臂的鲁棒边界控制》(吴忻生,邓军,《控制理论与应用》,2011年第28卷第4期)一文研究柔性机械臂末端存在未知扰动的边界控制,基于其分布参数模型设计边界控制准则,在机械臂的末端边界采用Lyapunov直接法进行控制;该方法仅研究了机械臂的振动控制,保证***在自由振动条件下的稳定性,没有针对外界扰动进行有效补偿,难以实现柔性机械臂***精确跟踪控制。
发明内容
为了克服现有柔性机械臂扰动控制方法控制精度差的不足,本发明提供一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法。该方法对具有非最小相位特性的柔性机械臂动力学模型进行输出重定义,进一步得到输入输出子***以及内部动态子***。针对内部动态子***的镇定采用状态反馈控制;针对输入输出子***中存在未知干扰采用非线性扰动观测方法设计控制器实现***跟踪,提高了控制精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法,其特点是包括以下步骤:
步骤一、n自由度柔性机械臂的动力学模型为:
其中,M为正定对称惯性矩阵,是与哥氏力和向心力相关的项,D1、D2为阻尼矩阵,K2为刚度矩阵,u为关节输入力矩,[θT,δT]T=[θ1…θn…δ1,1…δ1,m…δn,1…δn,m]T是由机械臂关节角和柔性模态组成的广义矢量,θi为第i个关节角变量,δi,j是第i个连杆的第j个模态变量,fd为由关节摩擦以及柔性连杆的振动阻尼引起的外部干扰项;
定义式(1)进一步写为:
针对***具有的非最小相位特性,进行输出重定义:
其中,φi,j是第i个连杆的第j个模态形函数,li是第i个连杆的长度,α=[α1,α2,…αn]T为跟输出重定义有关的参数向量,-1<αi<1与输出重定义有关具体参数由设计者选定;式(3)写成矩阵形式为:
y=θ+Cδ (4)
其中,
步骤二、结合式(2)-(4)得到:
其中,B=H11+CH21,B0为通过***标称信息所得标称值,即B=B0+ΔB,d=(H11+CH21)fd。
定义式(5)改写为:
输入输出子***为:
内部动态子***为:
其中,uex为输入输出子***的控制输入,uin为内部动态子***的控制输入,
步骤三、定义误差信号e1=μ1-yr,yr为关节角期望值,设计虚拟控制量。
其中,k1为正定对称非奇异矩阵,其具体参数由设计者给定;
定义误差信号e2=μ2-u2d,定义设计扰动观测器为:
其中,kd为正数其具体参数由设计者给定,为中间变量,具体形式如下:
设计控制器:
其中,k2为正定对称非奇异矩阵由设计者给定;
针对内部动态子***,采用状态反馈控制器:控制增益kδ和采用极点配置得到。
机械臂***控制器输入为
u=uex+uin
步骤四、根据得到的关节输入力矩u,返回柔性机械臂动力学模型(2)和输出重定义(3),对关节角进行跟踪控制。
本发明的有益效果是:该方法对具有非最小相位特性的柔性机械臂动力学模型进行输出重定义,进一步得到输入输出子***以及内部动态子***。针对内部动态子***的镇定采用状态反馈控制;针对输入输出子***中存在未知干扰采用非线性扰动观测方法设计控制器实现***跟踪,提高了控制精度。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法的流程图。
具体实施方式
参照图1。本发明存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法具体步骤如下:
(a)n自由度柔性机械臂的动力学模型:
其中,M为正定对称惯性矩阵,是与哥氏力和向心力相关的项,D1、D2为阻尼矩阵,K2为刚度矩阵,u为关节输入力矩,[θT,δT]T=[θ1…θn…δ1,1…δ1,m…δn,1…δn,m]T是由机械臂关节角和柔性模态组成的广义矢量,θi为第i个关节角变量,δi,j是第i个连杆的第j个模态变量,fd为由关节摩擦以及柔性连杆的振动阻尼引起的外部干扰项;
以两连杆柔性空间机械臂为例,连杆长度l1=l2=0.5m,连杆质量m1=m2=0.1kg,连杆抗弯刚度EI1=EI2=10N·m2,末端等效质量mp=0.1kg,外部干扰项
以此推导出:
i取1、2,模态阶数m=2;
定义式(1)进一步可写为:
针对***具有的非最小相位特性,进行输出重定义:
其中,α=[α1,α2]T=[0.9,0.81]T;
式(3)写成矩阵形式为:
y=θ+Cδ (4)
其中,
(b)结合式(2)-(4),可得:
其中,B=H11+CH21,B0为通过***标称信息所得标称值,即B=B0+ΔB,d=(H11+CH21)fd,
定义式(5)改写为:
输入输出子***为:
内部动态子***为:
(c)定义误差信号e1=μ1-yr,yr为关节角期望值,具体形式为设计虚拟控制量。
其中,
定义误差信号e2=μ2-u2d,定义设计扰动观测器为:
其中,为中间变量,具体形式如下:
设计控制器:
其中,
针对内部动态子***,采用状态反馈控制器:其中,
机械臂***控制器输入为
u=uex+uin
(d)根据得到的关节输入力矩u,返回柔性机械臂动力学模型(2)和输出重定义(3),对关节角进行跟踪控制。
Claims (1)
1.一种存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法,其特征在于包括以下步骤:
步骤一、n自由度柔性机械臂的动力学模型为:
其中,M为正定对称惯性矩阵,是与哥氏力和向心力相关的项,D1、D2为阻尼矩阵,K2为刚度矩阵,u为关节输入力矩,
[θT,δT]T=[θ1…θn…δ1,1…δ1,m…δn,1…δn,m]T是由机械臂关节角和柔性模态组成的广义矢量,θi为第i个关节角变量,δi,j是第i个连杆的第j个模态变量,fd为由关节摩擦以及柔性连杆的振动阻尼引起的外部干扰项;
定义式(1)进一步写为:
针对***具有的非最小相位特性,进行输出重定义:
其中,φi,j是第i个连杆的第j个模态形函数,li是第i个连杆的长度,α=[α1,α2,…αn]T为跟输出重定义有关的参数向量,-1<αi<1与输出重定义有关具体参数由设计者选定;式(3)写成矩阵形式为:
y=θ+Cδ (4)
其中,
步骤二、结合式(2)-(4)得到:
其中,B=H11+CH21,B0为通过***标称信息所得标称值,即B=B0+ΔB,d=(H11+CH21)fd;
定义式(5)改写为:
输入输出子***为:
内部动态子***为:
其中,uex为输入输出子***的控制输入,uin为内部动态子***的控制输入,F(θ,δ)=H21;
步骤三、定义误差信号e1=μ1-yr,yr为关节角期望值,设计虚拟控制量;
其中,k1为正定对称非奇异矩阵,其具体参数由设计者给定;
定义误差信号e2=μ2-u2d,定义设计扰动观测器为:
其中,kd为正数其具体参数由设计者给定,为中间变量,具体形式如下:
设计控制器:
其中,k2为正定对称非奇异矩阵由设计者给定;
针对内部动态子***,采用状态反馈控制器:控制增益kδ和采用极点配置得到;
机械臂***控制器输入为
u=uex+uin
步骤四、根据得到的关节输入力矩u,返回柔性机械臂动力学模型(2)和输出重定义(3),对关节角进行跟踪控制。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611125097.4A CN106493735B (zh) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201611125097.4A CN106493735B (zh) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106493735A CN106493735A (zh) | 2017-03-15 |
CN106493735B true CN106493735B (zh) | 2018-08-17 |
Family
ID=58330593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201611125097.4A Active CN106493735B (zh) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | 存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106493735B (zh) |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106990712B (zh) * | 2017-04-07 | 2019-12-03 | 西北工业大学 | 一种基于集合优化的空间操作规划方法 |
CN108363300A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-08-03 | 武汉科技大学 | 一种柔性物料提升机的位置鲁棒控制器及其设计方法 |
CN108388114B (zh) * | 2018-02-07 | 2021-07-09 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 一种基于输出重定义的柔性机械臂复合控制方法 |
CN108646561B (zh) * | 2018-05-15 | 2021-05-18 | 浙江工业大学 | 一种基于交叉耦合的多机械臂***固定时间参数辨识与位置同步控制方法 |
CN108673502A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-10-19 | 昆明理工大学 | 一种基于未知模型动态观测器的机械臂运动控制方法 |
CN108406779A (zh) * | 2018-05-18 | 2018-08-17 | 昆明理工大学 | 一种基于未知输入观测器的机械臂运动控制方法 |
CN109514559B (zh) * | 2018-12-24 | 2022-02-11 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 基于输出重定义的柔性机械臂时标分离鲁棒控制方法 |
CN109514558B (zh) * | 2018-12-24 | 2022-03-15 | 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 | 基于奇异摄动的柔性机械臂时标分离鲁棒控制方法 |
CN112817231B (zh) * | 2020-12-31 | 2022-06-03 | 南京工大数控科技有限公司 | 一种具有强鲁棒性的机械臂高精度跟踪控制方法 |
CN113211448B (zh) * | 2021-05-28 | 2023-04-18 | 江南大学 | 基于扰动观测器的柔性臂自适应边界振动控制方法及*** |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104526695A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-04-22 | 北京邮电大学 | 一种最小化基座碰撞扰动的空间机械臂轨迹规划方法 |
CN105196294A (zh) * | 2015-10-29 | 2015-12-30 | 长春工业大学 | 采用位置测量的可重构机械臂分散控制***及控制方法 |
CN105563489A (zh) * | 2016-03-01 | 2016-05-11 | 浙江工业大学 | 基于非线性自抗扰控制技术的柔性机械臂控制方法 |
CN106078742A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-11-09 | 北京科技大学 | 一种针对带有输出约束的柔性机械臂的振动控制方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04369004A (ja) * | 1991-06-17 | 1992-12-21 | Yaskawa Electric Corp | マニピュレータのインピーダンス制御方法 |
KR101086361B1 (ko) * | 2009-03-03 | 2011-11-23 | 삼성중공업 주식회사 | 로봇의 자세 제어 방법 및 그 장치 |
-
2016
- 2016-12-09 CN CN201611125097.4A patent/CN106493735B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104526695A (zh) * | 2014-12-01 | 2015-04-22 | 北京邮电大学 | 一种最小化基座碰撞扰动的空间机械臂轨迹规划方法 |
CN105196294A (zh) * | 2015-10-29 | 2015-12-30 | 长春工业大学 | 采用位置测量的可重构机械臂分散控制***及控制方法 |
CN105563489A (zh) * | 2016-03-01 | 2016-05-11 | 浙江工业大学 | 基于非线性自抗扰控制技术的柔性机械臂控制方法 |
CN106078742A (zh) * | 2016-06-29 | 2016-11-09 | 北京科技大学 | 一种针对带有输出约束的柔性机械臂的振动控制方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
柔性宏刚性微空间机器人末端连续轨迹跟踪控制研究;张宇等;《机械工程学报》;20050815;第41卷(第8期);全文 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106493735A (zh) | 2017-03-15 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106493735B (zh) | 存在外界扰动的柔性机械臂扰动观测控制方法 | |
CN107577147B (zh) | 一种基于自适应Smith预估器的遥操作双边PID控制方法 | |
CN108453732B (zh) | 控制体系封闭机器人自适应动态力/位置混合控制方法 | |
JP6097174B2 (ja) | ロボット制御装置 | |
Lee et al. | Multi-input noncertainty-equivalent adaptive control of an aeroelastic system | |
CN108388114B (zh) | 一种基于输出重定义的柔性机械臂复合控制方法 | |
CN104950678B (zh) | 一种柔性机械臂***的神经网络反演控制方法 | |
CN106773684B (zh) | 基于智能学习评价的柔性机械臂复合控制方法 | |
CN105182984B (zh) | 飞行器俯仰姿态的线性自抗扰控制器设计与参数整定方法 | |
CN105045101B (zh) | 一种基于扩张状态观测器的机械臂伺服***全阶滑模控制方法 | |
Zheng et al. | Tracking control of manipulator based on high-order disturbance observer | |
CN103728988B (zh) | 基于内模的scara机器人轨迹跟踪控制方法 | |
CN107390525B (zh) | 一种应用于混联机构的控制***参数整定方法 | |
CN107263483B (zh) | 二自由度关节机器人轨迹的协调控制方法 | |
CN104730922B (zh) | 基于扩张状态观测器的伺服***线性反馈控制和极点配置确定参数方法 | |
CN108267952B (zh) | 一种水下机器人自适应有限时间控制方法 | |
CN104965412B (zh) | 受控化发射平台的自适应鲁棒输出反馈控制方法 | |
CN114536334A (zh) | 一种柔性机械臂***高阶滑模抗干扰控制方法 | |
WO2024041042A1 (zh) | 一种直线电机运动控制方法、装置、设备及存储介质 | |
Huang et al. | Single-input/single-output adaptive flutter suppression of a three-dimensional aeroelastic system | |
CN116339141A (zh) | 一种机械臂全局固定时间轨迹跟踪滑模控制方法 | |
CN116317794A (zh) | 航空发动机电动执行机构高精度控制方法 | |
Zhao et al. | Manipulator trajectory tracking based on adaptive sliding mode control | |
Tang et al. | Proportional-integral-derivative controller optimization by particle swarm optimization and back propagation neural network for a parallel stabilized platform in marine operations | |
CN110737197B (zh) | 一种基于无模型的柴油机转速自适应自抗扰控制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |