CN117086884B - 一种绳牵引并联机器人的控制方法、装置、设备和介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绳牵引并联机器人的控制方法、装置、设备和介质，涉及绳牵引并联机器人控制技术领域。控制方法包含：S1、获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹。S2、根据期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速。S3、基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速。S4、基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置。S5、将期望位置、期望转矩、期望转速、实际转矩、实际转速和实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制。

Description

一种绳牵引并联机器人的控制方法、装置、设备和介质

技术领域

本发明涉及绳牵引并联机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种绳牵引并联机器人的控制方法、装置、设备和介质。

背景技术

工业机器人作为智能制造和制造业产业升级的重要载体，其在工业制造业领域中，被广泛用于重物搬运、码垛、装配、加工等场合。国内目前应用最为广泛的搬运机器人为四轴、六轴串联机械臂。然而无论是四轴还是六轴搬运机器人应用场景均受限于结构、速度和承载能力很难兼顾，且串联机器人广泛存在累计误差大、定位精度差等不足，在高精度场合下并不适用。

因此，绳牵引并联机器人凭借其优越的机构特性，得到了广泛应用。绳驱并联机器人是将传统并联机器人的刚性连杆用柔性材料替代。相比传统并联机器人工作空间小等不足之处，绳索机器人兼具并联机器人负载能力强、运动速度快以及柔性材料惯性小、机构易重组，成本低等优点，已被国内外研究人员广泛应用于天文学、航空航天、物流、医学康复、运动模拟等工业和技术领域。

目前绳牵引并联机器人存在一定的控制误差，并且在移动时容易产生较大的抖动。有鉴于此，申请人在研究了现有的技术后特提出本申请。

发明内容

本发明提供了一种绳牵引并联机器人的控制方法、装置、设备和介质，以改善上述技术问题中的至少一个。

第一方面

本发明实施例提供了一种绳牵引并联机器人的控制方法，其包含：

S1、获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹。其中，期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数。

S2、根据期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速。

S3、基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速。

S4、基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置。

S5、将期望位置、期望转矩、期望转速、实际转矩、实际转速和实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制。其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、/>为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、/>为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

第二方面

本发明实施例提供了一种绳牵引并联机器人的控制装置，其包含：

期望轨迹获取模块，用于获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹。其中，期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数。

期望值计算模块，用于根据期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速。

第一实际参数获取模块，用于基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速。

第二实际参数获取模块，用于基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置。

补偿控制模块，用于将期望位置、期望转矩、期望转速、实际转矩、实际转速和实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制。其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、/>为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、/>为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

第三方面

本发明实施例提供了一种绳牵引并联机器人的控制设备，其包括处理器、存储器，以及存储在存储器内的计算机程序。计算机程序能够被处理器执行，以实现如第一方面任意一段的绳牵引并联机器人的控制方法。

第四方面

本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在计算机程序运行时控制计算机可读存储介质所在设备执行如第一方面任意一段的绳牵引并联机器人的控制方法。

通过采用上述技术方案，本发明可以取得以下技术效果：

本发明的绳牵引并联机器人的控制方法结合从编码器得来的电机转矩和转速信息，考虑到了绳索的拉力、非线性摩擦力以及外部时变扰动等因素，结合改善过抖振效果的滑模控制算法，形成全闭环位置控制回路，可以有效地克服外界扰动，解决***建模误差问题，从而达到提高绳索机器人的控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1是控制方法的流程示意图。

图2是绳牵引并联机器人的电连接示意图。

图3是绳牵引并联机器人的轴测图。

图4是绳牵引并联机器人的控制方法的逻辑结构图。

图中标记：1-固定底座、2-立柱、3-转台轴承、4-滑轮、5-卷扬机、6-横梁、7-末端执行器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1至图4，本发明第一实施例提供一种绳牵引并联机器人的控制方法，其可由绳牵引并联机器人来执行。特别地，由绳牵引并联机器人中的一个或多个处理器来执行，以实现步骤S1至步骤S5。

图3为三绳索并联机器人的轴测图，三绳索并联机器人属于绳牵引并联机器人中的一种。三绳索并联机器人包括三组结构相同的绳索结构，以及连接在三组绳索结构的末端执行器7。绳索结构包括固定底座1、竖直安装在固定底座上的立柱2、安装在立柱2顶部的转台轴承3、安装在转台轴承上的滑轮4、接合于两组绳索结构之间的横梁6、安装在固定底座上的卷扬机5、传动连接于卷扬机5的驱动电机，以及通过滑轮和且两端分别接合在末端执行器7和卷扬机5上的绳索。

驱动电机驱动卷扬机5转动，以使绳索伸长或缩短，从而改变末端执行器7的位置。末端执行器7用于吊装负载物。关于三绳索并联机器人的具体结构可以查看申请人申请的申请号为“202210570198.1”，发明名称为“能量回收的绳索机器人及其控制方法、装置、存储介质”的专利文件，本发明在此不再赘述。

优选的，如图2所示，三绳索并联机器人还包含有控制设备。该控制设备包括电控柜和运动控制器。其中，运动控制器电连接于驱动电机的电机驱动器，用以接收上位机发送的控制轨迹。电控柜电连接于所述运动控制器、所述电机驱动器和所述驱动电机，用以提供电能。在其它实施例中，控制设备可以是便携笔记本计算机、台式机计算机、服务器、智能手机或者平板电脑等具有计算性能的电子设备。

S1、获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹。其中，所述期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数。

在本实施例中，上位机向运动控制器发送末端执行器的期望轨迹。所述上位机可以是便携笔记本计算机、台式机计算机、服务器、智能手机或者平板电脑等具有计算性能的电子设备。

具体的，在ControlDesk上位机软件中输入末端执行器的期望轨迹信息，。给予时间信号/>，接着自主选择设置末端位置带时间的期望轨迹：

式中，为入末端执行器的/>坐标的期望轨迹信息、/>为入末端执行器的/>坐标的期望轨迹信息、/>为入末端执行器的/>坐标的期望轨迹信息。

则末端执行器的带时间的期望速度为：

式中，为入末端执行器的/>坐标的期望速度信息、/>为入末端执行器的/>坐标的期望速度信息、/>为入末端执行器的/>坐标的期望速度信息。

其中，获取的末端执行器位置坐标都是当前时间的实时位置坐标和实时速度值。

S2、根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速。优选的，步骤S2具体包括步骤S21至步骤S23。

S21、根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置。具体的，期望位置即期望轨迹上具体时刻的位置。

S22、根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩。

所述期望转矩的计算模型为：

式中，为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、为末端执行器的加速度、/>为***的哥氏力矩阵、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为静力学雅可比矩阵、/>为多台绳索驱动电机的力矩矩阵。

S23、根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望角速度，并基于所述角速度获取期望转速。其中，期望角速度的计算模型为：

式中，为电机转过的角度、/>为时间、/>为末端执行器的位置、/>为/>的一阶导数，即末端执行器的速度。

具体的，绳索机器人的正常工作需要各绳索承受拉力，要考虑绳索的拉力情况。从动力学方程入手，求解绳索的拉力，进行运动规划控制。其中，拉力公式推导如下：

已知绳牵引并联机器人动力学模型：

式中，为末端执行器的惯性矩阵,/>表示质量，/>表示末端执行器的加速度矢量，/>为重力矢量，/>为雅可比矩阵，/>维雅可比矩阵的转置，为绳索受到的拉力矢量，/>表示末端执行器受到的合力矢量。

静力学模型表示为;

式中，为绳索的张力向量，/>为静力学雅可比矩阵，且。

在本实施例中，将一个非线性***转化为线性***从而建立起整个绳索机器人的动力学模型。其中，发明人在建立绳索机器人的动力学模型时，不仅考虑了绳索的拉力，还考虑到了可能会受到的非线性摩擦力和外部时变扰动。在进行绳索机器人动力学分析时，考虑的因素比较全面，使得建立的数学模型更加准。

具体的，驱动装置动力学模型过程如下：

绳牵引并联机器人的驱动器包括电机、减速器以及绞盘．驱动器的动力学方程可表示：

式中，为多台绳索驱动电机的力矩矩阵，/>、/>和/>分别为第一台、第二台和第三台绳索驱动电机的力矩，/>、/>分别为驱动器的等效惯量和等效阻尼系数矩阵，/>为电机输出轴转过的角度，/>为/>的一阶导数，表示电机输出轴的角速度，为/>的二阶导数，表示电机输出轴的角加速度、/>为绞盘半径。

电机输出轴的角速度和角加速度与末端执行器坐标的关系表达式为：

式中，为电机输出轴的转角，/>为电机输出轴的角速度，/>为电机输出轴的角加速度。

结合上述式子，绳索拉力矢量的表达式（即：并联机器人的力学模型）转换为：

结合上述式子，可以得到***的动力学表达式为：

简写为：

式中，为***的惯量矩阵，为***的哥氏力矩阵。

另外又考虑外界扰动对动力学模型的影响：

式中，为时变的外界扰动项。优选的，/>。

再考虑***受到的非线性摩擦力，可将前面的静力学模型修改成：

式中，为非线性摩擦向量。优选的，/>。

则考虑外界扰动和非线性摩擦后的动力学表达式为：

又由于建模过程中，***还会存在误差项，为了简便，将建模误差和外部干扰项之和看作一个整体：

式中，为***总的误差和外部扰动，/>为***总的建模误差。

则绳牵引并联机器人运动模型可写成：

式中，为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的加速度、/>为***的哥氏力矩阵、/>为末端执行器的速度、/>为扰动项、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为非线性摩擦向量、/>为静力学雅可比矩阵、/>为多台绳索驱动电机的力矩矩阵、/>为建模误差、/>为外部干扰项误差。

该动力学方程考虑了绳索的拉力、非线性摩擦力以及外部时变扰动因数。优选的，滑模变结构控制器基于该方程构建。

S3、基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速。

S4、基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置。

具体的，从编码器中获得电机转矩和转速信息。获取编码器中输出的驱动电机的实际转矩和实际转速，以根据所述驱动电机的实际转矩和期望转矩，对所述驱动电机进行滑模的闭环补偿控制。

S5、将所述期望位置、所述期望转矩、所述期望转速、所述实际转矩、所述实际转速和所述实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制。其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、/>为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、/>为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>（即：/>）为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

其中，（即：/>）为人为定义的参考矢量。为了简化计算，令：

则：

具体的，由于位置的控制对响应的速度要求较高，因而由传感器将得到的末端执行器的实际力矩反馈到控制回路中，与该时刻期望轨迹的力矩大小形成误差，使用滑模控制对误差进行参数调整，调整之后给反馈回来的实际力矩信息一个补偿，从而进行位置的闭环控制。

步骤S2中建立的动力学方程为：

定义末端执行器的位置误差矢量为：

式中，为末端执行器期望位置，/>为末端执行器实际位置。

定义滑模函数为：

式中，，/>为位置误差矢量的导数，即速度误差矢量。

从而得出，所述基于滑膜函数的位置误差量的计算模型为：

式中，（即：/>）为基于滑膜函数的位置误差量、/>为时间、/>为位置误差矢量的导数、/>为时间、/>为滑膜补偿系数、/>为位置误差矢量、/>为末端执行器期望位置，/>为末端执行器实际位置。

则滑模变结构控制器设计为如下的表达式：

式中，为名义模型控制项，/>为比例积分项，为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项。

为进一步提高***的稳定性，减小***因滑模面的快速正负切换导致的抖振现象，采用饱和函数替代等速趋近律常用的符号函数/>。优选的，所述饱和函数/>为：

式中，为等速趋近律常用的符号函数、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为常数值。

滑模变结构控制器设计的最终表达式：

具体的，滑模函数的跟踪轨迹能力比较强，将符号函数改换成饱和函数后，轨迹跟踪控制的抖振结果会明显减小，控制精度明显提高，可以有效地克服外界扰动，解决***建模误差问题，具有良好的鲁棒性能。

本发明实施例结合从编码器得来的电机转矩和转速信息，考虑到了绳索的拉力、非线性摩擦力以及外部时变扰动等因素，结合改善过抖振效果的滑模控制算法，形成全闭环位置控制回路，可以有效地克服外界扰动，解决***建模误差问题，从而达到提高绳索机器人的控制精度。

本发明实施例通过考虑绳索弹性、非线性摩擦力和外部时变扰动，建立较为精确的动力学，设计出滑模变结构控制器，形成全闭环力控制回路，并且将采用饱和函数替代等速趋近律常用的符号函数/>，减小控制中的抖振效果，减小结构误差，并提高了控制精度，起到良好的轨迹跟踪控制效果。

与工业领域使用的PID控制算法相比，滑模控制具有很强的鲁棒性，能够有效地处理***的参数不确定性和未建模动态误差，比较适合绳索机器人的控制。还解决了滑模控制产生抖振的难点。在设计控制算法时之前，分析动力学问题时，考虑的因素比较多，建立的数学模型更加精准，不仅考虑了绳索的拉力，还考虑到可能会受到的非线性摩擦力和外部时变扰动。

实施例二，本发明实施例提供了一种绳牵引并联机器人的控制装置，其包含：

期望轨迹获取模块，用于获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹。其中，所述期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数。

期望值计算模块，用于根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速。

第一实际参数获取模块，用于基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速。

第二实际参数获取模块，用于基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置。

补偿控制模块，用于将所述期望位置、所述期望转矩、所述期望转速、所述实际转矩、所述实际转速和所述实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制。其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、/>为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、/>为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

在上述实施例的基础上，本发明的一个可选地实施例中，所述期望值计算模块具体包括:

期望位置获取单元，用于根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置。

期望转矩获取单元，用于根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩。其中，所述期望转矩的计算模型为：，式中，/>为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为末端执行器的加速度、/>为***的哥氏力矩阵、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为静力学雅可比矩阵、/>为多台绳索驱动电机的力矩矩阵。

期望转速获取单元，用于根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望角速度，并基于所述角速度获取期望转速。其中，期望角速度的计算模型为：

式中，为电机转过的角度、/>为时间、/>为末端执行器的位置、/>为/>的一阶导数，即末端执行器的速度。

实施例三，本发明实施例提供了一种绳牵引并联机器人的控制设备，其包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器内的计算机程序。所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如实施例一任意一段所述的绳牵引并联机器人的控制方法。

实施例四，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如实施例一任意一段所述的绳牵引并联机器人的控制方法。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。

实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些内容以外的顺序实施。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种绳牵引并联机器人的控制方法，其特征在于，包含：

获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹；其中，所述期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数；

根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速；

基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速；

基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置；

将所述期望位置、所述期望转矩、所述期望转速、所述实际转矩、所述实际转速和所述实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制；其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

2.根据权利要求1所述的一种绳牵引并联机器人的控制方法，其特征在于，根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速，具体包括:

根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置；

根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩；其中，所述期望转矩的计算模型为： ， 式中，/>为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为末端执行器的加速度、为***的哥氏力矩阵、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为静力学雅可比矩阵、/>为多台绳索驱动电机的力矩矩阵；

根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望角速度，并基于所述角速度获取期望转速；其中，期望角速度的计算模型为：

式中，为电机转过的角度、/>为时间、/>为末端执行器的位置、/>为/>的一阶导数，即末端执行器的速度。

3.根据权利要求1所述的一种绳牵引并联机器人的控制方法，其特征在于，所述饱和函数为： ，式中，/>为等速趋近律常用的符号函数、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为常数值。

4.根据权利要求3所述的一种绳牵引并联机器人的控制方法，其特征在于，所述基于滑膜函数的位置误差量的计算模型为：

式中，为基于滑膜函数的位置误差量、/>为时间、/>为位置误差矢量的导数、/>为滑膜补偿系数、/>为位置误差矢量、/>为末端执行器期望位置，/>为末端执行器实际位置。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种绳牵引并联机器人的控制方法，其特征在于，所述滑模变结构控制器基于考虑了绳索的拉力、非线性摩擦力以及外部时变扰动因数的绳牵引并联机器人运动模型构建；其中，绳牵引并联机器人运动模型为：

式中，为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的加速度、为***的哥氏力矩阵、/>为末端执行器的速度、/>为扰动项、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为非线性摩擦向量、/>为静力学雅可比矩阵、/>为多台绳索驱动电机的力矩矩阵、/>为建模误差、/>为外部干扰项误差。

6.一种绳牵引并联机器人的控制装置，其特征在于，包含：

期望轨迹获取模块，用于获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望轨迹；其中，所述期望轨迹为以时间为自变量的轨迹函数；

期望值计算模块，用于根据所述期望轨迹，获取绳牵引并联机器人的末端执行器的期望位置，以及绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的期望转矩和期望转速；

第一实际参数获取模块，用于基于绳牵引并联机器人的绳索驱动电机的编码器，获取电机的实际转矩和实际转速；

第二实际参数获取模块，用于基于传感器或者绳索驱动电机的编码器，获取末端执行器的实际位置；

补偿控制模块，用于将所述期望位置、所述期望转矩、所述期望转速、所述实际转矩、所述实际转速和所述实际位置输入预先构造的滑模变结构控制器中，获取控制信号，从而对绳牵引并联机器人的绳索驱动电机进行补偿控制；其中，滑模变结构控制器如下：

式中，为滑模变结构控制器的控制律、/>为名义模型控制项、/>为比例积分项、为补偿非线性动态模型误差和外部扰动的鲁棒项、/>为***的惯量矩阵、/>为末端执行器的坐标、/>为末端执行器的速度、/>为参考速度矢量、/>为参考加速度矢量、为***的哥氏力矩阵、/>为公式简化符号、/>为绞盘半径、/>为重力矢量、/>为比例增益矩阵、/>为基于滑膜函数的位置误差量、/>为积分增益矩阵、/>为时间、/>为鲁棒增益系数矩阵、/>为饱和函数。

7.一种绳牵引并联机器人的控制设备，其特征在于，包括处理器、存储器，以及存储在所述存储器内的计算机程序；所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至5任意一项所述的绳牵引并联机器人的控制方法。

8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至5任意一项所述的绳牵引并联机器人的控制方法。