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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，涉及碰撞响应领域。本发明是为了解决目前的机械臂碰撞响应方法还无法实现控制状态的平滑切换，进而导致机械臂作业安全性低的问题。本发明包括：建立机械臂动力学回归模型；设计机械臂的阈函数βτext，并根据阈函数βτext获取机械臂平滑切换函数ω；根据平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩；将机械臂关节控制力矩代入机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的平滑切换方式：若机械臂没有受到外力则阈函数βτext＜0，平滑切换函数ω＝1，机械臂则在位置控制模式下工作，若机械臂受到外力作用则阈函数βτext＞0，平滑切换函数ω＝0，机械臂则在柔顺控制模式下工作。本发明用于实现机械臂碰撞响应。

主权项：1.一种基于平滑切换的机械臂碰撞响应控制方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：步骤一、建立机械臂动力学回归模型，如下式： 其中，q，分别为机械臂关节位置、速度、加速度；Mq，D，gq分别为机械臂的惯量矩阵、粘性摩擦矩阵、重力向量；为机械臂的科氏力和向心力矩阵；为机械臂关于的回归矩阵；p为机械臂动力学参数向量；τm，τext分别为机械臂关节控制力矩和所受外力矩；步骤二、设计机械臂的阈函数βτext，并根据阈函数βτext获取机械臂平滑切换函数ω；机械臂的阈函数βτext，如下： 其中，Ri为机械臂第i个关节的阈值，是人为设定的，取值范围通常为0.3～0.5，i∈[1,n]是机械臂关节的标号，n是机械臂关节的总数量，τext,i为τext的第i个分量，即机械臂第i个关节所受力矩；机械臂平滑切换函数，如下式： 其中，κ为切换函数；其中，当τext的任一分量大于对应预设关节阈值，阈函数βτext的值大于零，切换函数ω＝0；当τext的所有分量都小于对应的预设关节阈值，阈函数βτext的值小于零，切换函数ω＝1，因此ω在0和1之间的机械臂切换是平滑的；步骤三、根据步骤二设计的平滑切换函数获取机械臂关节控制力矩，包括以下步骤：步骤三一、根据步骤二获得的平滑切换函数获取机械臂参考速度向量，如下： 其中，qd为机械臂期望跟踪位置，eq＝q-qd为机械臂位置误差，λq为位置误差系数，为大于0的常数，是为机械臂期望跟踪速度；步骤三二、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量和机械臂关节速度获取机械臂滑动向量，如下式： 步骤三三、利用步骤三一获得的机械臂参考速度向量和步骤三二获得的机械臂滑动向量获取机械臂关节控制力矩： 其中，K为正定对角矩阵；为机械臂关于的回归矩阵；为机械臂动力学参数向量p的估计向量，为机械臂参考加速度向量；所述通过如下自适应律进行更新： 其中，Γ为正定矩阵，T是转置；步骤四、将步骤三获得的机械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的平滑切换方式：若机械臂没有受到外力则阈函数βτext＜0，平滑切换函数ω＝1，机械臂则在位置控制模式下工作，若机械臂受到外力作用则阈函数βτext＞0，平滑切换函数ω＝0，机械臂则在柔顺控制模式下工作；所述位置控制模式为根据机械臂运动位置进行控制，机械臂运动位置收敛于期望位置；所述柔顺控制模式为根据机械臂外力矩对机械臂进行控制；将步骤三获得的机械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型中，获取机械臂碰撞的平滑切换方式，具体为：步骤四一、将步骤三获得的械臂关节控制力矩代入步骤一建立的机械臂动力学回归模型，获得改写后的机械臂动力学模型：首先，将公式6带入到公式1中获得如下公式： 然后，将公式8改写，获得改写后的机械臂动力学模型： 其中，为机械臂动力学参数估计误差，步骤四二、定义Lyapunov函数，并将步骤四一获得的机械臂所受外力代入到Lyapunov函数中，具体如下：首先，定义如下Lyapunov函数： 对公式10求导可得： 然后，将公式9带入公式11获得如下公式： 步骤四三、将公式7的自适应律代入到公式12中，获得如下公式： 其中，是中间变量；步骤四四、根据步骤四三获得的公式13确定机械臂在没有受到外力作用时的工作模式：首先，由于机械臂不受外力时τext＝0、ω＝1，因此将公式13改写为： 然后，根据公式14可知当V＞0，时V有界，根据公式10可知esq和有界；由于esq和有界，根据公式9可知有界；由于esq和有界，则esq一致连续，因此根据公式14可得到如下积分公式： 其中，t是时间，λmin[D+K]为矩阵D+K的最小特征值，V0和V+∞分别表示机械臂系统在0时刻和+∞时刻的Lyapunov函数；然后，由于V0-V+∞有界，根据公式15可得到如下公式： 然后，根据公式5和公式16可以得到如下公式： 最后，根据公式17可知机械臂位置误差eq收敛于0，机械臂运动位置收敛于期望位置，机械臂工作在位置控制模式下；步骤四五、根据机械臂关节控制力矩确定机械臂在受到外力作用时的工作模式，包括以下步骤：步骤四五一、由于机械臂在受到外力时τext≠0、ω＝0，因此根据公式4可得到下式： 步骤四五二、根据机械臂动力学回归模型的具体形式和公式18获得如下公式： 其中，和分别为Mq，D，gq和的估计值；所述机械臂动力学回归模型的具体形式为：步骤四五三、利用公式7使和分别收敛于Mq，D，gq和将公式19简化为下式： 步骤四五四、将ω＝0和公式20代入到公式6中，获得τm＝gq，将τm＝gq代入公式1获得如下公式： 步骤四五五、根据公式21可知，当受外力作用时，机械臂可视为由外力矩驱动的阻尼系统，处于柔顺控制模式。

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