采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种仅采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统及控制方法，属于 机器人控制系统及控制算法领域。
【背景技术】
[0002] 可重构机械臂是一类具有标准模块与接口，且可W根据不同的任务需求对自身构 形进行重新组合与配置的机械臂。可重构机械臂的关节模块包含了驱动、控制、传感等单 元，可W使机械臂根据任务需要改变自身构形，使重构后的机械臂能够对新的工作环境有 更好的适应性。一般来说，可重构机械臂可W生成的构形数量取决于关节模块与连杆模块 的类型，自由度，W及接口数量等等，通过对模块的重新配置来实现多种不同的装配构形， 并提供不同的输出功率，从而表现出许多传统机械臂所不具有的优势，例如：可W通过构形 重构，添加或减少模块来实现机械臂的结构柔性；为新型机械臂产品的开发提供一个低成 本高效率的测试平台，W此鼓励和推动新技术的开发与发展；缩短新技术的研发周期，并从 长远角度降低新型机械臂的研发，测试和维护成本。
[0003] 在机械臂控制器设计中，所需的关节位置变量可W由编码器精确测得，而所需的 关节速度通常需要使用速度计来测量，运些速度测量值含有大量噪声，会严重影响控制器 的性能与精度。为了解决运个问题，一些学者构建了不同形式的速度观测器，并采用观测器 的输出状态值设计反馈控制器。然而，传统的关节速度观测器需要已知机器人完整的动力 学模型信息，使得控制系统结构变得复杂。因此，在仅采用位置测量的情况下对关节速度进 行观测是该研究领域亟待解决的问题。
[0004] 为了获得良好的控制精度，关节力矩反馈技术被广泛应用在机械臂控制系统当 中。传统方法是在机械臂末端加装力矩传感器来测量关节力矩，然而，对于可重构机械臂来 说，安装关节力矩传感器会损害其可靠性与坚固性，并使模块结构变得复杂。一方面，用来 测量关节力矩的应变计易受溫度变化影响；另一方面，采用直接关节力矩测量进行可重构 机械臂动力学补偿必然会产生关节力矩或其时间导数的代数环，使系统更容易受到未建模 不确定性及扰动的影响，从而使控制器产生明显的抖振效应。因此，在无力/力矩传感器 且存在模型不确定性的条件下，仅采用位置测量信息设计力矩观测器对机械臂力矩进行观 ，是实现可重构机械臂精确控制的重要前提。
[0005] 为了保证可重构机械臂在重构后具有良好的稳定性与精确性，在设计控制器时， 需要考虑控制系统的兼容性与可重构性，即在不改变控制参数的情况下，使控制器对于不 同的机械臂构形均具有良好的控制性能。为了满足上述要求，传统的集中控制方法需要消 耗大量的运算资源，当机械臂系统结构较为复杂时，控制器的稳定性与可靠性难W保证。
[0006] 综上所述，在仅采用位置测量的情况下设计速度观测器、力矩观测器及符合模块 化设计思想、复杂程度低、运算速度快、具有抖振抑制能力且对可重构机械臂模型不确定性 具有较强辨识与补偿能力的控制系统及其方法是十分必要的。
【发明内容】
[0007] 为了解决传统的可重构机械臂控制系统及其方法中存在的诸多问题，本发明提出 的一种采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统及控制方法。
[000引本发明解决技术问题的方案是：
[0009] 采用位置测量的可重构机械臂分散控制系统，其特征是，包括增量式编码器、直流 电机、谐波减速器、刚性禪合元件和连杆；所述增量式编码器安装在直流电机前端，用来测 量电机的位置变量；所述直流电机作为系统的驱动装置，与谐波减速器相连接；所述谐波 减速器作为系统的减速装置，实现减速及放大力矩的作用；所述刚性禪合元件安装谐波减 速器后，与连杆相连接，用来增强系统的连接强度。
[0010] 采用位置测量的可重构机械臂分散控制方法，其特征是，该方法包括如下步骤：
[0011] 步骤一，进行系统初始化，检测增量式编码器读数，得到位置测量信息，并基于该 信息建立非线性速度观测器如下：
Il
[0013] 上式中，0i(t)为实际关节位置测量值，4(/).4:(/.)分别为关节位置与速度的观测 值，g(，）为基于反双曲正弦函数构建的非线性函数。通过观测器的输出得到口 ">， 即采用位置测量的情况下得到关节速度；
[0014] 步骤二，根据步骤一建立的非线性速度观测器，建立扰动观测模型如下：
[001引（'/,-("= I + (厂))加+ (乂。+ 1)(,.',([)-林+ ])(,,(H) JO J G
[0016] 其中,CO为系统扰动观测值，A。，Al为正参数增益，S即（?）为标准符号函数， Gu(O),e"(T)分别为初始时刻与T时刻的速度观测误差，0《T《t;根据扰动观测模 型，建立力矩观测器如下：
(12)
[001引其中，§为关节力矩观测值，y为电机摩擦系数，Im为电机转动惯量，丫为传动 比，
为等效粘滞系数；
[0019] 步骤=，采用步骤一、步骤二中得到关节速度及关节力矩的观测值，建立可重构机 械臂系统动力学模型，给出模型不确定性的解析表达形式；
[0020] 可重构机械臂第i个关节动力学模型建立如下
(1巧
[002引其中，Imi为电机的转动惯量，6；，弓分别为关节位置及加速度变量，^ = 为速 度观测器的速度观测值，Ui为电机输出力矩，
为关 节间动力学禪合项，Zm与Ze分别为电机与关节的轴向单位向量，为关节摩擦； [002引令A-=[.v,i，A-,.J' =[6；.4]''，/二1，2,…，"，则式（13)可W变形为如下的状态方程
M"
[002引其中，Xi,Yi分别为Si的状态向量与输出变量， 占=化"义-)-Ie披+，、P,你4)、巧你4)、月,(。，是苗)分别定义为
(16);
[0029] 步骤四，通过步骤一、步骤二及步骤=中给出的关节速度观测器、力矩观测器、期 望动力学信息及系统动力学模型，采用局部关节的动力学信息设计分散控制器，对包含模 型确定项、摩擦力建模误差及关节间禪合项进行补偿，抑制控制器抖振并使机械臂关节精 确跟踪期望轨迹；
[0030] 首先，根据分散控制律形式，判断模型确定项是否得到补偿，若否，则带入控制律 Ui。补偿模型确定项；
(码
[00础其中，马;，充，充J;,为一般摩擦力常数，4为关节速度观测值，為为积分滑模函 数的导数，4的为关节期望轨迹的二阶导数，ki为正常数增益，如O为关节位置误差， 与耗）、g城）分别为关节初始位置误差的一阶、二阶导数；
[0033]其次，若模型确定项已通过Ui。补偿，则判断摩擦力建模误差是否得到补偿，若否， 则带入控制律Uii补偿摩擦力建模误差；
[0034]W社=如+巧4)掉+4) (24)
[00巧]其中，F(為）为摩擦力模型项，如、2I、为摩擦力建模误差补偿控制律；
[0036] 第S，若摩擦力建模误差已通过Uii补偿，则带入控制律U12补偿关节间禪合项 /?,(代每資)，控制律Ui2设计如下：
[0037] =片(0终（.S',.) +fA',，（/媒:（.V, )"7、 (321 \ ' .VI). J
[003引其中，d)ii(Si)、4)。柄）为已知正定函数，Kii(t)、Ki2(t)为可变增益函数；
[0039] 合并式（23)、（24)和（32)得到本发明提出的分散控制器Ui如下：
(34)
[0041] 最后，判断系统是否达到最大运行时间，若是，则输出结果并结束，若否则进入循 环步骤一。
[0042] 本发明的有益效果如下：
[0043] 1、本发明所述的可重构机械臂较传统机械臂相比，具有高减速比、体积小、质量 轻、同轴装配等优点，且具有较大的负载能力。
[0044] 2、本发明在仅采用位置测量且存在模型不确定性的条件下实现了可重构机械臂 的高精度控制，在提