一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?br> 【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，包括以下步驟：采集直流電機(jī)位置指令信號(hào)yd和考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型輸出的位置信號(hào)y，設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，獲得滑模控制律；依據(jù)滑?？刂坡?，采用微分幾何反饋線性化方法獲得線性解耦處理后柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制輸入；依據(jù)線性處理后柔性關(guān)節(jié)控制輸入，針對(duì)考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器，獲得補(bǔ)償間隙非線性影響下柔性關(guān)節(jié)的控制輸入，以保證控制系統(tǒng)的位置輸出以所需精度跟蹤期望的位置信號(hào)。本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以有效補(bǔ)償間隙對(duì)系統(tǒng)位置精度的影響，實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控制，同時(shí)減少抖振現(xiàn)象。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制技術(shù)，尤其涉及一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)?方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 行星齒輪傳動(dòng)關(guān)節(jié)由于承載能力大、可靠性高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，被長(zhǎng)壽命周期的大 型空間機(jī)械臂所廣泛應(yīng)用?？臻g機(jī)械臂在太空運(yùn)行過(guò)程中，間隙的存在會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂劇烈 振動(dòng)，使得機(jī)械臂工作精度降低，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)的失敗。特別是在實(shí)際工程中， 隨著機(jī)械臂運(yùn)行時(shí)間的推移，磨損使得間隙不斷增大，將進(jìn)一步導(dǎo)致機(jī)械臂的精度和工作 性能的降低，直至不能滿足使用要求而失效。故有必要對(duì)間隙非線性特性和關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償 控制策略進(jìn)行研究。
[0003] 目前，針對(duì)間隙補(bǔ)償?shù)目刂撇呗灾饕譃閮深?lèi)：一種是切換控制策略，由于間隙的 存在會(huì)使得系統(tǒng)傳動(dòng)變得不連續(xù)，分為接觸和間隙兩種不同階段，根據(jù)系統(tǒng)所處階段采取 相應(yīng)控制策略實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制目標(biāo)，但是該方法計(jì)算量大，特別是當(dāng)間隙接近于零時(shí)該方法 幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。另一種方法是基于非線性補(bǔ)償?shù)木€性反饋控制策略，主要通過(guò)線性反饋 控制來(lái)設(shè)計(jì)外環(huán)控制器，并通過(guò)系統(tǒng)的頻域分析或觀測(cè)估計(jì)對(duì)間隙等非線性進(jìn)行補(bǔ)償，最 后實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的期望輸出。由于滑?？刂圃谔幚硐到y(tǒng)不確定參數(shù)方面的優(yōu)勢(shì)與良好的魯棒特 性，目前研究中普遍采用滑?？刂品椒▽?duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，但其自身存在抖振問(wèn)題。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法?過(guò)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器對(duì)間隙的非線性影響進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)而設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 魯棒性控制。該控制方法采用滑模控制與擾動(dòng)觀測(cè)器相結(jié)合的手段，實(shí)現(xiàn)高精度的跟蹤控 制，并減少滑?？刂圃斐傻亩墩瘳F(xiàn)象。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0006] 步驟101)采集直流電機(jī)位置指令信號(hào)yd和考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié) 動(dòng)力學(xué)模型輸出的位置信號(hào)y，設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，獲得滑模控制律；
[0007] 步驟102)依據(jù)滑?？刂坡?，采用微分幾何反饋線性化方法獲得線性解耦處理后 柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制輸入；
[0008] 步驟103)依據(jù)線性處理后柔性關(guān)節(jié)控制輸入，針對(duì)考慮間隙影響的空間機(jī)械臂 柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器，獲得補(bǔ)償間隙非線性影響下柔性關(guān)節(jié)的控制輸入。
[0009] 上述方法中，步驟101)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的具體步驟如下：
[0010] 設(shè)計(jì)滑?？刂坡扇缦率剿荆?br> 【權(quán)利要求】
1. 一種實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟?，所述方法包括W下步 驟： 步驟101)采集直流電機(jī)位置指令信號(hào)yd和考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力 學(xué)模型輸出的位置信號(hào)y，設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器，獲得滑?？刂坡桑? 步驟102)依據(jù)滑?？刂坡?，采用微分幾何反饋線性化方法獲得線性解禪處理后柔性 關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的控制輸入； 步驟103)依據(jù)線性處理后柔性關(guān)節(jié)控制輸入，針對(duì)考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性 關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器，獲得補(bǔ)償間隙非線性影響下柔性關(guān)節(jié)的控制輸入。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟?，?驟101)設(shè)計(jì)滑模變結(jié)構(gòu)控制器的具體步驟如下： 設(shè)計(jì)滑?？刂坡扇缦率剿荆? S - + m^e + (1) 其中，給定期望輸出軌跡Zd = 7。，則系統(tǒng)輸出跟蹤軌跡誤差為e = y-yd，e?，&^"分別 表示誤差的H階導(dǎo)數(shù)、二階導(dǎo)數(shù)和一階導(dǎo)數(shù)，Hii > 0, i = 0, 1，2表示滑模控制律參數(shù)，選擇 切換函數(shù)S = S (X，t)滿足；點(diǎn)二-興知+ Qsgn句，y，Q表示控巧巧法需要調(diào)節(jié)的參數(shù)； 其中，
根據(jù)上述定義可得二yW - ，獲得新的控制律： V =少_ 7斯_ m戶 _ 巧?。^ _ //('V + Qsgn 'V); 其中，e表示系統(tǒng)輸出跟蹤軌跡誤差，分別表示誤差的一階、二階、H階導(dǎo)數(shù) 項(xiàng)，m。，1111,1?, Ji, Q表示控制方法需要調(diào)節(jié)的參數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，?特征在于，對(duì)滑?？刂坡煞€(wěn)定性W及參數(shù)Hli的設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)進(jìn)行具體分析；由于 = -//(.Y + Q巧n.如=-//片+ Q|.s'|) < 0，滿足滑模存在條件；根據(jù)柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng) 達(dá)到滑模面時(shí)誤差方程滿足條件；t'W + W,立+ W|告+ w,,c = 0，計(jì)算方程A 3+ni2 A 2+mi入+m。 =0根的符號(hào)，其中A代表方程的特征根，判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性；若選取的系數(shù)使 得等式的根全部位于左半平面，則系統(tǒng)穩(wěn)定，否則需要重新選取叫的值；通過(guò)選擇合適的 m〇，mi，m2, y，Q最終使得誤差在滑模面上一定時(shí)間內(nèi)趨于0。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，?驟102)中運(yùn)用微分幾何反饋線性化方法對(duì)柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行精確解禪處理，具體 步驟如下： a)對(duì)系統(tǒng)輸出函數(shù)y = h (X)求偏導(dǎo)，計(jì)算系統(tǒng)的相對(duì)階r ;其中，若r《n，則系統(tǒng)可 控；否則系統(tǒng)不可控，不能用反饋線性化方法進(jìn)行如下處理；
b)找到一組坐標(biāo)變換Z二口(X)為局部微分同胚，將柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程轉(zhuǎn)化 為局部正則型，并判斷解禪矩陣E (X)奇異性，若非奇異則坐標(biāo)變換成立； 取坐標(biāo)變換Z為：
其中，X = [X。X,，X3, X4] T表示柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)狀態(tài)變量，K,表示扭轉(zhuǎn)彈黃剛度系數(shù)， N表示減速比，山表示負(fù)載慣量，片表示關(guān)節(jié)阻尼系數(shù)； 根據(jù)上述坐標(biāo)變換，獲得線性解禪處理后柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程：
y = Zi = Xg 其中，Z = [Z。Z2, Z3, zjT表示系統(tǒng)方程線性化后新的狀態(tài)變量； C)選擇系統(tǒng)控制律帶入局部正則型內(nèi)，完成系統(tǒng)的反饋線性化； 定義反饋?zhàn)儞Q：
則柔性關(guān)節(jié)控制輸乂
其中，K,表示扭轉(zhuǎn)彈黃剛度系數(shù)，N表示減速比，山表示負(fù)載慣量，Jm表示電機(jī)慣量，Lg、 Lf分別代表對(duì)函數(shù)h (X)求f的偏導(dǎo)W及g的偏導(dǎo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，?據(jù)間隙特性W及關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程，考慮間隙影響的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)學(xué) 表達(dá)式為：


其中，公< 表示關(guān)節(jié)輸出軸角速度，各^表示關(guān)節(jié)輸出軸角加速度，A,表示電機(jī)軸角速 度，4表示電機(jī)軸角加速度，山表示負(fù)載慣量，Jm表示電機(jī)慣量，Cm表示電機(jī)阻尼系數(shù)，片 表示關(guān)節(jié)阻尼系數(shù)，Tm表示電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩，IY表示負(fù)載力矩，Tg、L分別表示系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和從 動(dòng)部分的傳輸力矩，其中齒輪間隙的非線性特性通過(guò)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)部分的傳輸力矩Tg、Ts 和相對(duì)位移0描述； 選定柔性關(guān)節(jié)的狀態(tài)變量W及控制輸出，將柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型的表達(dá)式轉(zhuǎn)化為狀態(tài) 空間形式，獲得空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程：
y = h (X)=又3 其中，狀態(tài)變量-1' = ^^';，義;，而]7'=[化,，句,,，化，&/，11 = 1'。，控制目標(biāo)為柔性關(guān)節(jié)輸 出軸位置9 1^。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟冢?步驟103)基于建立的空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程，將間隙作為外部擾動(dòng)量引入到模 型中，同時(shí)計(jì)算柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Gp(S) W及預(yù)估名義傳遞函數(shù)Gd(S)，其中 G、/,(.S)=分(,S) /'/;,,〇) ,Gn(S) = (l+Ap(S))Gp(S) ,Ai 表示電機(jī)軸角速度，Tm 表示電機(jī)驅(qū)動(dòng) 力矩，Ap(S) = f (Gp(S))，f (X)表示將Gp(S)中控制變量引入隨機(jī)偏差后表達(dá)式；根據(jù)柔性 關(guān)節(jié)的傳遞函數(shù)Gp(S)設(shè)計(jì)擾動(dòng)觀測(cè)器，并對(duì)擾動(dòng)觀測(cè)器的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，最后，基于設(shè) 計(jì)的擾動(dòng)觀測(cè)器獲得補(bǔ)償間隙非線性影響下柔性關(guān)節(jié)的控制輸入。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂柔性關(guān)節(jié)齒隙補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于，擾 動(dòng)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)主要是濾波器Q(S)的設(shè)計(jì)，且Q(S) = (1+3 T s)/( T S+1)3, T表示響應(yīng) 周期；當(dāng)系統(tǒng)滿足T (S) = Q (S)時(shí)計(jì)算5 = I I T (S) A P (S) I L判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性；若5 < 1 時(shí)柔性關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)穩(wěn)定，否則需要進(jìn)一步調(diào)整低通濾波器Q (S)參數(shù)，直至滿足要求；其 中，Q(S)為低通濾波器，T(S)為互補(bǔ)靈敏度函數(shù)，且有；T(S) =Q(S)Gp(s)/(G"(s)+Q(s) (Gp(S)-Gn(S)))。

【文檔編號(hào)】B25J19/00GK104260107SQ201410449749
【公開(kāi)日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】賈慶軒, 何詩(shī)文, 陳鋼, 孫漢旭 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)