CN112936266A - 网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及*** - Google Patents

网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及*** Download PDF

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CN112936266A CN202110128166.1A CN202110128166A CN112936266A CN 112936266 A CN112936266 A CN 112936266A CN 202110128166 A CN202110128166 A CN 202110128166A CN 112936266 A CN112936266 A CN 112936266A
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李彬
张瑜
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Abstract

本公开提供一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及***，所述方案具体针对群体机械手臂在参数和网络拓扑结构切换的情况下给出一种切换一致性控制方法；首先，给出机械手臂切换***数学模型—Lagrange动力学方程，然后应用滑模控制法与平均驻留时间法设计一致性控制算法，并给出相应的切换力矩控制器，得到了一个确保切换***稳定的驻留时间上界，然后基于李雅普诺夫稳定性理论与代数图论，对得到的切换闭环***的稳定性进行分析，最终实现多机械手臂同步一致性状态。本公开所述方案解决了网络化机械手臂同步协作过程中，出现参数或负载突变、通信网络切换的问题，给出了群体机械手臂实现分布式切换一致性的控制方案。

Description

网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及***
技术领域
本公开属于多机器人动力***技术领域，尤其涉及一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及***。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着信息化和工业化不断融合，在全球新的制造模式变革的大趋势下，机器人正在从单一功能机器人向大规模协作机器人***发展，呈现智能化、网络化、数字化、柔性化的深度融合模式。多机器人协调作为一种新的机器人应用技术，拥有时间、空间、功能、信息和资源上的分布特性，其协调模式通常指合理的***体系结构、正确的环境感知能力、优化的决策控制策略，其中协同体系结构决定了多机器人协同效率，以及***适用性、经济性、实时性、鲁棒性、最优性和可扩展性等性能，而这种***整体的体系结构正是网络科学关注的重点。因此，应用和发展网络科学的理论和方法展开对协作多机器人***动力学与控制的研究已成为当今机器人学引人关注的前沿方向之一，备受国内外许多领域科学家和工程师的关注。
机械臂由于其结构相对简单同时又具有灵巧、低能耗等特性成为工程应用中最常见、最重要、应用范围最广、技术最成熟的一类工业机器人，它的应用加速了制造业规模化生产的速度与质量，同时掀起了全世界研发和应用的热潮。但在工业生产过程中，搬运大型物品等任务单一机器人难以完成，通常需要多机器人合作搬运、抬起、放下某些不同质量，不同体积的重物，这会引起整个动力学***参数值的突变，从而破坏***的稳定性。常用的传统自适应控制法，滑模控制法等不能有效地将整个***迅速控制到一个稳定状态。正如前面提到的，通信网络对确保机器人协调行为起重要作用，由于受到网络通信带宽及其他物理约束限制，机器人之间的通信网络一直保持良好是不现实的。
发明人发现，从分析动力学角度看，机械臂***通常可用Lagrange动力学方程来描述。随着互联网、云计算等新一代信息技术加速演进，海量的数据基础、大幅提升的运算能力和不断优化的智能算法，以及类脑计算、深度学习和强化学习等技术的创新突破，网络环境下群集机械臂***研究所处的信息环境和驱动因素发生了深刻的变化，迫切需要从复杂网络动力学与控制角度深入确定***个体之间逻辑上和物理上信息的组织方式、交互方式、体系结构和进化机制等。发展和利用现代网络科学理论的基本思想和方法展开对这类复杂***的群集行为与协调模式研究，在科学上就有可能掌握群集行为与智能的产生机理、分析预测群集行为发展与演化，更深刻地了解***进化自组织行为的实质性规律，在工程上就可能设计人造***，可以完成单一机器人无法完成的复杂协同任务，以实现具有自然界各类集群同等的独特功能。因此，研究以机械臂机器人为载体的Lagrange***集群协调控制的建模、分析、计算、控制及其应用，针对多机械臂协同作业过程中出现的负载改变与通信网络变化问题，发展构建一种网络化机械臂***切换自适应算法，不仅具有非常重要的科学意义，在工程应用上也具有十分重要的实践价值。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提供了一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及***，所述方案针对多机械臂协同作业过程中出现的负载改变与通信网络变化问题，基于滑模控制法与平局驻留时间法给出了一致性切换力矩控制方法，并获得确保***稳定的平均驻留时间。
根据本公开实施例的第一个方面，提供了一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，包括：
获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性切换控制器模型；
基于所述一致性切换控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
进一步的，所述Lagrange切换***具体如下：
Figure BDA0002924177140000031
其中，σ(t)为切换信号,σ(t)＝p表示第i个机器人的第p个子***起作用，
Figure BDA0002924177140000032
Figure BDA0002924177140000033
是位置和速度的广义坐标向量,
Figure BDA0002924177140000034
表示广义加速度坐标向量，
Figure BDA0002924177140000035
为一个对称的正定惯性矩阵,
Figure BDA0002924177140000036
表示科氏力和离心力矩阵，
Figure BDA0002924177140000037
表示重力,
Figure BDA0002924177140000038
为机器人i的力矩控制输入。
进一步的，所述切换动力学***的相关约束包括：
(1)矩阵Mip(qi)和
Figure BDA0002924177140000039
有界的，且满足
Figure BDA00029241771400000310
其中，i∈Ξ,p∈Λ；
(2)
Figure BDA00029241771400000311
满足反对称；
进一步的，所述相关约束还包括：对于非线性***
Figure BDA00029241771400000312
若存在函数Ui＝xTPix，i,j∈Λ，两类K∞函数α1，α2，以及一个正数λ使得：
α1‖x(t)‖2≤Ui(x)≤α2‖x(t)‖2
Figure BDA00029241771400000313
Ui(x)≤μUj(x)；
若机器人之间的通信网络拓扑图包含一棵有向生成树，则与之相应的Laplace矩阵
Figure BDA00029241771400000314
有且只有一个零特征值，且其余的特征值具有正实部；
对于一组具有参数改变与拓扑切换的机器人***，需满足
Figure BDA00029241771400000315
Figure BDA00029241771400000316
进一步的，所述一致性切换控制器的构建需满足以下约束：设***的参数或网络结构发生改变时，***的切换子控制器能够自动匹配到相应的子***。
进一步的，所述一致性切换控制器基于滑模控制法与平均驻留时间法进行设计。
进一步的，所述一致性切换控制器具体表示如下：
Figure BDA0002924177140000041
其中，Kip表示正定常数矩阵，
Figure BDA0002924177140000042
表示滑模向量。
根据本公开实施例的第二个方面，提供了一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制***，包括：
数据获取单元，其用于获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
动力学模型构建单元，其用于基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
控制器模型构建单元，其用于基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性控制器模型；
切换控制单元，其用于基于所述一致性控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
根据本公开实施例的第三个方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法。
根据本公开实施例的第四个方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开所述方案针对机械臂***在运动过程中出现的参数切换与网络拓扑切换的情形，给出切换Lagrange***数学模型，然后根据滑模控制法与平均驻留时间法设计了切换一致性控制算法，并给出了一致性力矩控制器；同时，基于Lyapunov稳定性理论与Barbalat引理给出了闭环***的稳定性分析；本公开所述方案能够实现机械臂***的位置和速度状态的一致同步，即使在运动过程中出现参数改变与通信网络不定的状态，依然能够实现同步一致性状态。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例一中所述的五个机械臂切换网络交互拓扑图；
图2为本公开实施例一中所述的切换信号图；
图3(a)-图3(b)分别为本公开实施例一中所述的五个机械臂切换前后位置轨迹图；
图4(a)-图4(b)分别为本公开实施例一中所述的五个机械臂切换前后速度响应图；
图5(a)-图5(b)分别为本公开实施例一中所述的五个机械臂切换前后位置误差图；
图6(a)-图6(b)分别为本公开实施例一中所述的五个机械臂切换前后速度误差图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。实施例一：
本实施例的目的是提供一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法。
一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，包括：
获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性切换控制器模型；
基于所述一致性切换控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
具体的，为了便于理解，以下基于具体实例对本公开所述方法进行详细说明，此处采用二连杆机械臂进行说明：
本实施案例设计网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1：首先以二连杆机械臂为模型，建立机械臂***Lagrange动力学模型，针对不同的负载与通信网络，对每个机械臂给出如下Lagrange切换***：
Figure BDA0002924177140000061
其中，σ(t)是切换信号,σ(t)＝p表示第i个机器人的第p个子***起作用，i∈Ξ＝{1,2,…,N},qi,
Figure BDA0002924177140000062
是位置和速度的广义坐标向量,
Figure BDA0002924177140000063
是一个对称的正定惯性矩阵,
Figure BDA0002924177140000064
代表科氏力和离心力矩阵，
Figure BDA0002924177140000065
代表重力,
Figure BDA0002924177140000066
是机器人i的力矩控制输入。
步骤2：引入切换动力学***(1)的相关约束，包括性质1和性质2，以及引理1，引理2，定义1。
性质1：(有界性)矩阵Mip(qi)和
Figure BDA0002924177140000071
是有界的，并且有
Figure BDA0002924177140000072
性质2：(反对称性)
Figure BDA0002924177140000073
是反对称的。
引理1：对于非线性***
Figure BDA0002924177140000074
若存在函数
Figure BDA0002924177140000075
两类K∞函数α1，α2，以及一个正数λ使得
α1‖x(t)‖2≤Ui(x)≤α2‖x(t)‖2 (2)
Figure BDA0002924177140000076
Ui(x)≤μUj(x) (4)
(i)(平均驻留时间法)对于某些正数μ，切换***是全局渐进稳定的如果切换信号的平均驻留时间满足
Figure BDA0002924177140000077
(i i)(改进的平均驻留时间法)如果不等式(2)(3)满足，对于某些正数μ*，那么切换***对于任意的切换信号都是全局渐进稳定的，如果平均驻留时间的满足
Figure BDA0002924177140000078
引理2：如果机器人之间的通信网络拓扑图包含一棵有向生成树，那么与之相应的Lap l ace矩阵
Figure BDA0002924177140000079
有且只有一个零特征值，且其余的特征值具有正实部。
定义1：对于一组具有参数改变与拓扑切换的机器人***，切换控制力矩τiσ(t)(i＝1,2,…N)能够够解决其一致性问题，如果满足
Figure BDA00029241771400000710
Figure BDA00029241771400000711
步骤3：切换一致性控制器设计
假设***的参数或网络结构发生改变时，***的切换子控制器能够自动匹配到相应的子***。
首先，设计一个关于位置误差的辅助滑模参考变量
Figure BDA00029241771400000712
Figure BDA0002924177140000081
且它的导数有:
Figure BDA0002924177140000082
那么包含网络拓扑的滑模变量
Figure BDA0002924177140000083
可以设计为
Figure BDA0002924177140000084
其中，
Figure BDA0002924177140000085
表示机器人信息交互的邻接矩阵，如果机器人i与机器人j之间有信息传递，
Figure BDA0002924177140000086
否则
Figure BDA0002924177140000087
因此，可以得到分布式一致性切换力矩控制器
Figure BDA0002924177140000088
基于以上控制设计，可以得到如下定理：
定理1.假设网络切换拓扑
Figure BDA0002924177140000089
在每个切换间隔内都有一颗生成树，那么切换Lagrange***
(1)在力矩控制器(8)的作用下对任意切换路径σ(t)可以实现同步一致性，如果平均驻留时间满足如下条件
Figure BDA00029241771400000810
其中，
Figure BDA00029241771400000811
Figure BDA00029241771400000812
由公式(7)可得
Figure BDA00029241771400000813
均有界，再由闭环***(9)可知
Figure BDA00029241771400000814
是有界的。又因为
Figure BDA00029241771400000815
是有界的，那么
Figure BDA00029241771400000816
是一致连续的；根据Barba l at引理，可得当t→∞时，
Figure BDA00029241771400000817
进一步得到，当t→∞时，qi→qj。
综上所述，机械臂***(1)在控制器(8)的作用下，即使出现参数与网络拓扑切换的情形，也能实现一致性同步状态。
步骤4：实验仿真
所述实现应用Mat l ab2018软件进行仿真。本公开所述方案应用五个二连杆机械臂作为研究对象，假设参数与网络拓扑同时切换。机械臂动力学模型为：
Figure BDA0002924177140000091
Figure BDA0002924177140000092
Figure BDA0002924177140000093
其中，g＝9.8m/s2，qi＝(qi1,qi1)T，
Figure BDA0002924177140000094
ui2p＝mi2pli1plai1，
Figure BDA0002924177140000095
ui4p＝mi1plai1+mi2pli1p，ui5p＝mi2plai2，
Figure BDA0002924177140000096
lai1＝li1p/2，lai2＝li2p/3，θip＝[ui1p,ui2p,ui3p,ui4p,ui5p]T，p∈Λ＝{1,2},i∈Ξ。p＝1：mi11＝2.2kg，mi21＝2.0kg，li11＝2.2m，li21＝2.5m p＝2：mi12＝1.2+0.2ikg，mi22＝1.4+0.12ikg，li12＝1.8+0.08im l_{i22}＝2.3+0.04im。
由图1可知，切换网络有一颗生成树，五个机械臂***的初始位置与初始速度为q1(0)＝[2,-3]T，q2(0)＝[-4,2.1]T，q3(0)＝[4,-2]T，q4(0)＝[5,2]T，q5(0)＝[3,-2]T，
Figure BDA0002924177140000097
仿真结果如图3-6所示，可以看出，在控制器(8)的作用下，五个机械臂***的位置与速度状态都能够达到一致同步。有误差图也可看出，同步状态非常准确。因此，本控制器的设计，大大提高了***的鲁棒能力，即使运动过程中，出现参数改变与通信网络不定的状态，依然能够同步一致性状态。
实施例二：
本实施例的目的是提供一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制***。
一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制***，包括：
数据获取单元，其用于获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
动力学模型构建单元，其用于基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
控制器模型构建单元，其用于基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性控制器模型；
切换控制单元，其用于基于所述一致性控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
实施例三：
本实施例的目的是提供一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，包括：
获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性切换控制器模型；
基于所述一致性切换控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
实施例四：
本实施例的目的是提供一种非暂态计算机可读存储介质。
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，包括：
获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性切换控制器模型；
基于所述一致性切换控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
上述实施例提供的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法及***可以实现，具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，包括：
获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性切换控制器模型；
基于所述一致性切换控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
2.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述Lagrange切换***具体如下：
Figure FDA0002924177130000011
其中，σ(t)为切换信号,σ(t)＝p表示第i个机器人的第p个子***起作用，i∈Ξ＝{1,2,…,N},qi,
Figure FDA0002924177130000012
是位置和速度的广义坐标向量,
Figure FDA0002924177130000013
表示广义加速度坐标向量，
Figure FDA0002924177130000014
为一个对称的正定惯性矩阵,
Figure FDA0002924177130000015
表示科氏力和离心力矩阵，
Figure FDA0002924177130000016
表示重力,
Figure FDA0002924177130000017
为机器人i的力矩控制输入。
3.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述切换动力学***的相关约束包括：
(1)矩阵Mip(qi)和
Figure FDA0002924177130000018
有界的，且满足
Figure FDA0002924177130000019
其中，i∈Ξ,p∈Λ；
(2)
Figure FDA00029241771300000110
满足反对称。
4.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述相关约束还包括：对于非线性***
Figure FDA00029241771300000111
若存在函数Ui＝xTPix，i,j∈Λ，两类K∞函数α1，α2，以及一个正数λ使得：
α1‖x(t)‖2≤Ui(x)≤α2‖x(t)‖2
Figure FDA0002924177130000021
Ui(x)≤μUj(x)；
若机器人之间的通信网络拓扑图包含一棵有向生成树，则与之相应的Laplace矩阵
Figure FDA0002924177130000022
有且只有一个零特征值，且其余的特征值具有正实部；
对于一组具有参数改变与拓扑切换的机器人***，需满足
Figure FDA0002924177130000023
Figure FDA0002924177130000024
5.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述一致性切换控制器的构建需满足以下约束：设***的参数或网络结构发生改变时，***的切换子控制器能够自动匹配到相应的子***。
6.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述一致性切换控制器基于滑模控制法与平均驻留时间法进行设计。
7.如权利要求1所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法，其特征在于，所述一致性切换控制器具体表示如下：
Figure FDA0002924177130000025
其中，Kip表示表示正定常数矩阵，
Figure FDA0002924177130000026
表示滑模向量。
8.一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制***，其特征在于，包括：
数据获取单元，其用于获取不同机械臂的负载及其通信网络拓扑；
动力学模型构建单元，其用于基于机械臂负载及通信网络拓扑，对每个机械臂建立机械臂***Lagrange动力学模型；
控制器模型构建单元，其用于基于所述机械臂***Lagrange动力学模型及切换动力学***的相关约束，构建一致性控制器模型；
切换控制单元，其用于基于所述一致性控制器模型实现多机械臂***的自适应一致性切换控制。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7任一项所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的一种网络化机械臂***自适应一致性切换控制方法。
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