机器人伺服的滑膜变结构控制方法及装置与流程

本申请涉及机器人领域，具体涉及一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法及装置。

背景技术：

随着工业机器人应用领域的不断扩大以及现代工业的快速发展，人们对工业机器人性能的要求越来越高，以进一步提高生产效率和产品质量，因此高速、高精度成为目前机器人伺服控制的发展趋势。

工业机器人系统是一个强非线性、强耦合的复杂系统，要想提高工业机器人的跟踪精度，须提高运动伺服控制性能，解决谐波减速器、力传感器等引入的关节柔性及摩擦力扰动等问题。

目前机器人伺服主要采用三环串级pid控制方法，该方法存在以下几方面不足：1)位置环为防止超调，一般采用单比例控制器，稳态精度差。2)pid控制对系统参数摄动、外部参数变化的适应性差。3)无法针对系统的不确定性和模型的不确定性保持优异的动态性能。

技术实现要素：

针对现有技术中的问题，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法及装置，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

为了解决上述问题中的至少一个，本申请提供以下技术方案：

第一方面，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法，包括：

建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；

采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；

根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；

根据误差状态计算切换面函数s；

根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u。

进一步地，所述建立伺服系统的被控对象传递函数，包括：

建立伺服系统的被控模型传递函数为：

其中：r为电机相电阻，l为电机相电感，kt为转矩常数，ke为反电动势系数，j为转子惯量。

进一步地，所述根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分，包括：

系统控制周期为50us，定义系统误差为e，每个周期内采集位置θ、速度v(s)、电流反馈i(s)信号，使用x1,x2，x3分别表示误差及误差的一二阶微分，结合指令p(t)可计算如下：

x1＝e＝p(t)-bpθ(t)

进一步地，所述根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，包括：

根据误差项，选取切换面函数s＝f(x1,x2,x3)＝c1x1+c2x2+x3，设计趋近率函数为：

其中，c1,c2,ε,k为变结构滑膜控制器调节参数。

进一步地，所述计算变结构控制律输出u，包括：

根据趋近率及误差的一二阶微分，设计变结构控制器输出为：

第二方面，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制装置，包括：

模型建立模块，用于建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；

电机信息采集模块，用于采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；

误差计算模块，用于根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；

切换面函数计算模块，用于据误差状态计算切换面函数s；

输出计算模块，用于据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u。

第三方面，本申请提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理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机器人伺服的滑膜变结构控制方法的步骤。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的步骤。

由上述技术方案可知，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法及装置，通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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的附图。

图1为本申请实施例中的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的流程示意图之一；

图2为本申请实施例中的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的流程示意图之二；

图3为本申请实施例中的机器人伺服的滑膜变结构控制装置的结构图；

图4为本申请实施例中的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

考虑到目前机器人伺服主要采用三环串级pid控制方法，该方法存在以下几方面不足：1)位置环为防止超调，一般采用单比例控制器，稳态精度差。2)pid控制对系统参数摄动、外部参数变化的适应性差。3)无法针对系统的不确定性和模型的不确定性保持优异的动态性能的问题，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法及装置，通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

为了能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制，本申请提供一种机器人伺服的滑膜变结构控制方法的实施例，参见图1，所述机器人伺服的滑膜变结构控制方法具体包含有如下内容：

步骤s101：建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；

步骤s102：采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；

步骤s103：根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；

步骤s104：根据误差状态计算切换面函数s；

步骤s105：根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u。

从上述描述可知，本申请实施例提供的机器人伺服的滑膜变结构控制方法，能够通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

在本申请的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的一实施例中，所述建立伺服系统的被控对象传递函数，包括：

建立伺服系统的被控模型传递函数为：

其中：r为电机相电阻，l为电机相电感，kt为转矩常数，ke为反电动势系数，j为转子惯量。

在本申请的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的一实施例中，所述根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分，包括：

系统控制周期为50us，定义系统误差为e，每个周期内采集位置θ、速度v(s)、电流反馈i(s)信号，使用x1,x2,x3分别表示误差及误差的一二阶微分，结合指令p(t)可计算如下：

x1＝e＝p(t)-bpθ(t)

在本申请的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的一实施例中，所述根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，包括：

根据误差项，选取切换面函数s＝f(x1,x2,x3)＝c1x1+c2x2+x3，设计趋近率函数为：

其中，c1,c2,ε,k为变结构滑膜控制器调节参数。

在本申请的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的一实施例中，所述计算变结构控制律输出u，包括：

根据趋近率及误差的一二阶微分，设计变结构控制器输出为：

为了能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制，本申请提供一种用于实现所述机器人伺服的滑膜变结构控制方法的全部或部分内容的机器人伺服的滑膜变结构控制装置的实施例，参见图3，所述机器人伺服的滑膜变结构控制装置具体包含有如下内容：

模型建立模块10，用于建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；

电机信息采集模块20，用于采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；

误差计算模块30，用于根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；

切换面函数计算模块40，用于据误差状态计算切换面函数s；

输出计算模块50，用于据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u。

从上述描述可知，本申请实施例提供的机器人伺服的滑膜变结构控制装置，能够通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

为了更进一步说明本方案，本申请还提供一种应用上述机器人伺服的滑膜变结构控制装置实现机器人伺服的滑膜变结构控制方法的具体应用实例，具体包含有如下内容：

1).建立伺服系统的被控模型传递函数为：

其中：

r为电机相电阻，l为电机相电感。

kt为转矩常数，ke为反电动势系数，j为转子惯量。

则由式(1.2)，有：

a1＝js²tm

a2＝j

a3＝kekmkt

b＝kmkt(1.2)

2)根据上述被控对象设计三阶滑膜变结构控制模型，参见图2，其中三阶滑膜变结构控制器接受位置指令p，bi、bv、bp为电流、速度、位置反馈增益，tf为扰动力矩。

3)系统控制周期为50us，定义系统误差为e，每个周期内采集位置θ、速度v(s)、电流反馈i(s)信号，使用x1,x2,x3分别表示误差及误差的一二阶微分，结合指令p(t)可计算如下，：

x1＝e＝p(t)-bpθ(t)

4)根据误差项，选取切换面函数s＝f(x1,x2,x3)＝c1x1+c2x2+x3，设计趋近率函数为：

其中c1,c2,ε,k为变结构滑膜控制器调节参数。

5)根据趋近率及误差的一二阶微分，设计变结构控制器输出为：

由上述描述可知，本申请还可以实现如下技术效果：

1)通过滑膜变结构控制，使系统的结构发生改变，稳定性不受系统参数制约，具有良好的鲁棒性。

2)需要调节的参数少，响应速度更快。

3)对扰动不灵敏，有较强的抗扰动能力。

从硬件层面来说，为了能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制，本申请提供一种用于实现所述机器人伺服的滑膜变结构控制方法中的全部或部分内容的电子设备的实施例，所述电子设备具体包含有如下内容：

处理器(processor)、存储器(memory)、通信接口(communicationsinterface)和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述通信接口用于实现机器人伺服的滑膜变结构控制装置与核心业务系统、用户终端以及相关数据库等相关设备之间的信息传输；该逻辑控制器可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该逻辑控制器可以参照实施例中的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的实施例，以及机器人伺服的滑膜变结构控制装置的实施例进行实施，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。

可以理解的是，所述用户终端可以包括智能手机、平板电子设备、网络机顶盒、便携式计算机、台式电脑、个人数字助理(pda)、车载设备、智能穿戴设备等。其中，所述智能穿戴设备可以包括智能眼镜、智能手表、智能手环等。

在实际应用中，机器人伺服的滑膜变结构控制方法的部分可以在如上述内容所述的电子设备侧执行，也可以所有的操作都在所述客户端设备中完成。具体可以根据所述客户端设备的处理能力，以及用户使用场景的限制等进行选择。本申请对此不作限定。若所有的操作都在所述客户端设备中完成，所述客户端设备还可以包括处理器。

上述的客户端设备可以具有通信模块(即通信单元)，可以与远程的服务器进行通信连接，实现与所述服务器的数据传输。所述服务器可以包括任务调度中心一侧的服务器，其他的实施场景中也可以包括中间平台的服务器，例如与任务调度中心服务器有通信链接的第三方服务器平台的服务器。所述的服务器可以包括单台计算机设备，也可以包括多个服务器组成的服务器集群，或者分布式装置的服务器结构。

图4为本申请实施例的电子设备9600的系统构成的示意框图。如图4所示，该电子设备9600可以包括中央处理器9100和存储器9140；存储器9140耦合到中央处理器9100。值得注意的是，该图4是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。

从上述描述可知，本申请实施例提供的电子设备，通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

在另一个实施方式中，机器人伺服的滑膜变结构控制装置可以与中央处理器9100分开配置，例如可以将机器人伺服的滑膜变结构控制装置配置为与中央处理器9100连接的芯片，通过中央处理器的控制来实现机器人伺服的滑膜变结构控制方法功能。

如图4所示，该电子设备9600还可以包括：通信模块9110、输入单元9120、音频处理器9130、显示器9160、电源9170。值得注意的是，电子设备9600也并不是必须要包括图4中所示的所有部件；此外，电子设备9600还可以包括图4中没有示出的部件，可以参考现有技术。

如图4所示，中央处理器9100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器9100接收输入并控制电子设备9600的各个部件的操作。

其中，存储器9140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器9100可执行该存储器9140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。

输入单元9120向中央处理器9100提供输入。该输入单元9120例如为按键或触摸输入装置。电源9170用于向电子设备9600提供电力。显示器9160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为lcd显示器，但并不限于此。

该存储器9140可以是固态存储器，例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、sim卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为eprom等。存储器9140还可以是某种其它类型的装置。存储器9140包括缓冲存储器9141(有时被称为缓冲器)。存储器9140可以包括应用/功能存储部9142，该应用/功能存储部9142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器9100执行电子设备9600的操作的流程。

存储器9140还可以包括数据存储部9143，该数据存储部9143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器9140的驱动程序存储部9144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。

通信模块9110即为经由天线9111发送和接收信号的发送机/接收机9110。通信模块(发送机/接收机)9110耦合到中央处理器9100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。

基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块9110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)9110还经由音频处理器9130耦合到扬声器9131和麦克风9132，以经由扬声器9131提供音频输出，并接收来自麦克风9132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器9130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器9130还耦合到中央处理器9100，从而使得可以通过麦克风9132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器9131来播放本机上存储的声音。

本申请的实施例还提供能够实现上述实施例中的执行主体为服务器或客户端的机器人伺服的滑膜变结构控制方法中全部步骤的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的执行主体为服务器或客户端的机器人伺服的滑膜变结构控制方法的全部步骤。

从上述描述可知，本申请实施例提供的计算机可读存储介质，通过建立伺服系统的被控对象传递函数及三阶滑膜变结构控制模型；采用电流传感器和位置传感器采集电机电流及实时位置、速度反馈；根据指令和反馈信息计算误差及误差的一二阶微分；根据误差状态计算切换面函数s；根据切换面函数s及选取的趋近率，计算变结构控制律输出u，能够根据电流、转速、位置反馈信息构造滑动面切换函数，然后根据切换函数计算控制器的输出，施加在被控对象上，完成闭环控制。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(装置)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。