CN111604908B - 一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，该控制方法是完全独立于***的动力学建模，并能先验地确定不确定性的界限。实际使用时，滑模控制器将机械臂在曲面上执行操作的动力学模型分解为力、位置和冗余关节子空间；在滑模控制器设计中，分别用TSK模糊***和自适应PI控制器逼近滑模控制方法的理想部分和鲁棒部分；根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整控制器的参数。与传统力位混合控制方法相比，本申请的力位混合控制方法不依赖于机器人模型，只需要少量关于机器人与环境的机械和几何特性信息。

Description

一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法

技术领域

本申请涉及电气设备技术领域，尤其涉及一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法。

背景技术

高压架空输电线路的运行状况直接影响着电力***的配送状况，对电力***的安全稳定运行起着关键作用，因此，需要对高压架空输电线路的运行情况进行定期巡检。目前，高压架空输电线路的巡检方式已由人工巡检向特种机器人巡检转化，利用架空线路检修机器人对高压输电线路进行巡检，以提升输电线路运行的安全性。

架空线路检修机器人在执行任务中，需要同时调节机械臂末端执行器对操作对象的接触力和末端执行器的位置，这种类型的控制问题即为机械臂的力位混合控制问题。目前，架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制一般采用对不确定性和参数变化具有鲁棒性的机械臂力控制方法。

但是，这种力位混合控制方法依赖于完整或部分的***动力学知识，即利用动力学的结构，将数学模型分解成一个回归矩阵和一些未知参数的向量机。当建立的数学模型较为复杂时，向量机内未知参数的辨识将变得较为困难，导致***架空线路检修机器人机械臂的控制性下降，进而影响架空线路检修机器人机械臂在架空输电线路上巡检任务的顺利完成。

发明内容

本申请提供了一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，以解决现有的力位混合控制方法依赖于完整或部分的***动力学知识，导致***架空线路检修机器人机械臂的控制性下降，进而影响架空线路检修机器人机械臂在架空输电线路上巡检任务的顺利完成的问题。

本申请提供一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，其特征在于，包括：

建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程；

利用分解动力学方程，设计滑模控制器；

采用TSK模糊***和自适应PI控制器分别逼近滑模控制器的理想部分和鲁棒部分；

根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整滑模控制器的参数。

可选地，建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程，包括，

建立机械臂动力学模型，机械臂运动学方程为：

式中，q为关节位移矢量，M(q)表示机器人的惯性矩阵，

表示科里奥利矩阵和向心力相关项的一致性，G(q)为一个包含与重力效应相对应项的矢量，τ表示作用于关节的输入力矩的矢量，

为末端执行器和环境之间的相互作用力，J为联系关节速度矢量

和任务空间速度矢量

的雅可比矩阵：

式中，

为末端执行器的位置和方向向量；

设环境为无摩擦的可变形平面，

与环境变形成比例：

式中，

为环境刚度矩阵，x_e表示静止环境上的点；

将刚度矩阵

分解为：

将操纵动力学分解为三个正交子空间，即力、位置、冗余关节子空间，引入以下元素：

I＝J⁺J+J^-,I＝K⁺K+K^-，

其中，

将关节速度矢量

和任务空间速度矢量

分解为：

利用

的末端效应器的姿势向量的二阶导数为：

利用

和机械手关节位移矢量的二阶导数得到：

取

的导数，得到导数函数为：

利用关节空间和任务空间的分解向量，得到机械臂运动的分解动力学方程：

可选地，利用分解动力学方程，设计滑模控制器，包括，

定义滑动面和跟踪误差分别为：

式中，λ是常量，下标d表示变量的期望值；

定义参考速度为：

利用

将滑动面转换为：

利用

将机械臂动力学方程转换为：

其中：

设计滑模控制器为：

τ＝-(τ^eq+τ^rb),τ^eq＝-(τ_e+z)，

其中，τ^eq和τ^rb分别表示控制输入的理想部分和鲁棒部分。

可选地，采用TSK模糊***和自适应PI控制器分别逼近滑模控制器的理想部分和鲁棒部分，包括，

以TSK模糊***和s_j为输入、τ_j ^fuzz为输出，定义机械臂第j'个关节满足以下条件：

当

时，

通过使用单变量模糊发生器、过程推理和中心平均解模糊器，机械臂第j'个关节的输出保持以下关系：

考虑以下最小输入为s₁,...,s_m和n输出为

的模糊滑模控制器：

对

中的不确定度、误差界以及θ_j进行估算，用e_j替换

估计误差为

模糊滑模控制器将输入的等效部分τ^eq估计为

控制方程为

将机械臂运动学方程作为与环境接触的操纵臂的动力学方程，假设控制力矩为

其中，

将适应定律表示为

式中，γ为常理。

可选地，根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整滑模控制器的参数，包括，

在对象模型精确且完全已知条件下，根据Lyapunov第二稳定性定理中，理想控制器、τ^id与稳定***存在以下近似关系：τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds)，

利用τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds)，在线调整滑模控制器的参数。

本申请提供了一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，该控制方法是完全独立于***的动力学建模，并能先验地确定不确定性的界限。实际使用时，滑模控制器将机械臂在曲面上执行操作的动力学模型分解为力、位置和冗余关节子空间；在滑模控制器设计中，分别用TSK模糊***和自适应PI控制器逼近滑模控制方法的理想部分和鲁棒部分；然后，根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整控制器的参数。与传统力位混合控制方法相比，本申请的架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法不依赖于机器人模型，只需要少量关于机器人与环境的机械和几何特性信息。另外，该方法消除了确定不确定性界限的要求，利用所提出的策略对其进行了估计。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法的流程图；

图2为滑模控制器设计的原理图；

图3为滑模控制器的理想部分和鲁棒部分替代原理；

图4为在线调整滑模控制器的参数原理图。

具体实施方式

本申请提供一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，同时调节机械臂末端执行器对操作对象的接触力和末端执行器的位置。

图1为本申请架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法的流程图，如图1所示，架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法包括：

步骤S100，建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程。

本申请中，建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程，包括，

建立机械臂动力学模型，则机械臂运动学方程为：

式中，q为关节位移矢量，M(q)表示机器人的惯性矩阵，

表示科里奥利矩阵和向心力相关项的一致性，G(q)为一个包含与重力效应相对应项的矢量，τ表示作用于关节的输入力矩的矢量，

为末端执行器和环境之间的相互作用力，J为联系关节速度矢量

和任务空间速度矢量

的雅可比矩阵：

式中，

为末端执行器的位置和方向向量。

设环境为无摩擦的可变形平面，

与环境变形成比例：

式中，

为环境刚度矩阵，x_e表示静止环境上的点。

本申请中，将刚度矩阵

分解为：

将操纵动力学分解为三个正交子空间，即力、位置、冗余关节子空间，引入以下元素：

I＝J⁺J+J^-,I＝K⁺K+K^- (5)

其中，

将关节速度矢量

和任务空间速度矢量

分解为：

利用

的末端效应器的姿势向量的二阶导数为：

利用

和机械手关节位移矢量的二阶导数得到：

取

的导数，得到导数函数为：

利用关节空间和任务空间的分解向量，得到机械臂运动的分解动力学方程：

其中，F,x和q的分量被分解为三个正交子空间，以便于滑模控制器的设计。

步骤S200，利用分解动力学方程，设计滑模控制器。

图2为滑模控制器设计的原理图，如图2所示，本申请中，利用分解动力学方程，设计滑模控制器，包括，

定义滑动面和跟踪误差分别为：

式中，λ是常量，下标d表示变量的期望值。

定义参考速度为：

利用

将滑动面转换为：

利用

将机械臂动力学方程转换为：

其中：

设计滑模控制器为：

τ＝-(τ^eq+τ^rb),τ^eq＝-(τ_e+z) (17)

其中，τ^eq和τ^rb分别表示控制输入的理想部分和鲁棒部分。

步骤S300，采用TSK(Takagi-Sugeno-Kang)模糊***和自适应PI控制器分别逼近滑模控制器的理想部分和鲁棒部分。

图3为滑模控制器的理想部分和鲁棒部分替代原理，如图3所示，本申请中，采用TSK模糊***和自适应PI控制器分别逼近滑模控制器的理想部分和鲁棒部分，包括，

以TSK模糊***和s_j为输入、τ_j ^fuzz为输出，定义机械臂第j'个关节满足以下条件：

当

时，

通过使用单变量模糊发生器、过程推理和中心平均解模糊器，机械臂第j'个关节的输出保持以下关系：

考虑以下最小输入为s₁,...,s_m和n输出为

的模糊滑模控制器：

对

中的不确定度、误差界以及θ_j进行估算，用e_j替换

估计误差为：

模糊滑模控制器将输入的等效部分τ^eq估计为：

控制方程为：

将机械臂运动学方程作为与环境接触的操纵臂的动力学方程，假设控制力矩为：

其中，

将适应定律表示为：

步骤S400，根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整滑模控制器的参数。

图4为在线调整滑模控制器的参数原理图，如图4所示，本申请中，根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整滑模控制器的参数，包括，

在对象模型精确且完全已知条件下，根据Lyapunov第二稳定性定理中，理想控制器、τ^id与稳定***存在以下近似关系：

τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds) (27)

利用τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds)，在线调整滑模控制器的参数。

本申请提供了一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，该控制方法是完全独立于***的动力学建模，并能先验地确定不确定性的界限。实际使用时，滑模控制器将机械臂在曲面上执行操作的动力学模型分解为力、位置和冗余关节子空间；在滑模控制器设计中，分别用TSK模糊***和自适应PI控制器逼近滑模控制方法的理想部分和鲁棒部分；然后，根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整控制器的参数。与传统力位混合控制方法相比，本申请的架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法不依赖于机器人模型，只需要少量关于机器人与环境的机械和几何特性信息。另外，该方法消除了确定不确定性界限的要求，利用所提出的策略对其进行了估计。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (2)

1.一种架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，其特征在于，包括：

建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程；

利用分解动力学方程，设计滑模控制器，具体包括，定义滑动面和跟踪误差分别为：

式中，λ是常量，下标d表示变量的期望值；

定义参考速度为：

利用

将滑动面转换为：

利用

将机械臂动力学方程转换为：

其中：

设计滑模控制器为：

τ＝-(τ^eq+τ^rb),τ^eq＝-(τ_e+z)，

其中，τ^eq和τ^rb分别表示控制输入的理想部分和鲁棒部分；

采用TSK模糊***和自适应PI控制器分别逼近滑模控制器的理想部分和鲁棒部分，具体包括，以TSK模糊***和s_j为输入、τ_j ^fuzz为输出，定义机械臂第j'个关节满足以下条件：

当

时，

通过使用单变量模糊发生器、过程推理和中心平均解模糊器，机械臂第j'个关节的输出保持以下关系：

考虑以下最小输入为s₁,...,s_m和n输出为

的模糊滑模控制器：

对

中的不确定度、误差界以及θ_j进行估算，用e_j替换

估计误差为

模糊滑模控制器将输入的等效部分τ^eq估计为

控制方程为

将机械臂运动学方程作为与环境接触的操纵臂的动力学方程，假设控制力矩为

其中，

将适应定律表示为

式中，γ为常理；

根据Lyapunov第二稳定性定理中的自适应规则，在线调整滑模控制器的参数，具体包括，在对象模型精确且完全已知条件下，根据Lyapunov第二稳定性定理中，理想控制器、τ^id与稳定***存在以下近似关系：τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds)，

利用τ^id＝-τ^eq-K_Ds＝-(τ^eq+K_Ds)，在线调整滑模控制器的参数。

2.根据权利要求1所述的架空线路检修机器人机械臂的力位混合控制方法，其特征在于，建立机械臂动力学模型，并进行动力学分解，得到机械臂运动的分解动力学方程，包括，

建立机械臂动力学模型，机械臂运动学方程为：

式中，q为关节位移矢量，M(q)表示机器人的惯性矩阵，

表示科里奥利矩阵和向心力相关项的一致性，G(q)为一个包含与重力效应相对应项的矢量，τ表示作用于关节的输入力矩的矢量，

为末端执行器和环境之间的相互作用力，J为联系关节速度矢量

和任务空间速度矢量

的雅可比矩阵：

式中，

为末端执行器的位置和方向向量；

设环境为无摩擦的可变形平面，

与环境变形成比例：

式中，

为环境刚度矩阵，x_e表示静止环境上的点；

将刚度矩阵

分解为：

将操纵动力学分解为三个正交子空间，即力、位置、冗余关节子空间，引入以下元素：

I＝J⁺J+J^-,I＝K⁺K+K^-，

其中，

将关节速度矢量

和任务空间速度矢量

分解为：

利用

的末端效应器的姿势向量的二阶导数为：

利用

和机械手关节位移矢量的二阶导数得到：

取

的导数，得到导数函数为：

利用关节空间和任务空间的分解向量，得到机械臂运动的分解动力学方程：

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