一种模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法及系统

1.本发明涉及机器人控制技术领域，特别是涉及一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法。


背景技术：

2.模块化机器人由于具有比传统机器人更好的结构灵活性和适应性，在机器人界引起了广泛关注。迄今为止，模块化机器人在许多极端场合有着广泛的应用，例如医疗救助、灾害调查、灾害救助、太空探索等。模块化机器人的主要思想是将一个复杂的机器人系统分解为多个具有较高便携性和可维护性的子系统模块，因此其控制器的设计就要满足模块化要求，即各个关节模块具备相互独立的控制器，且能够满足不同任务环境与多种机器人构形下的工作需要，从而表现出传统机器人所不具备的优势，提高工作效率。
3.由于模块化机器人系统是一类具有高度非线性、时变干扰的复杂控制系统，因而其控制问题存在一定难度。众所周知，模块化机器人轨迹跟踪可以被认为是其控制的基本目标之一，同时在机器人和自动化领域也有着重要应用。为了在实际生产中提高效率，机器人的操作时间只有很短的时间。这迫切需要机器人快速收敛，确保机器人在执行作业任务前，稳定到达目标位置，从而提高作业精度。因此，针对整个关节模块系统进行全局固定时间分散控制是该研究领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法，能够让系统在发生未知干扰的情况下，让系统快速回到期望性能，并保持其控制力矩在额定范围内，提高控制系统的稳定性和可靠性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法，所述方法包括：
7.建立基于力矩传感器的模块化机器人子系统系统动力学模型；
8.根据所述系统动力学模型获得解耦分离后的状态空间表达式；
9.根据所述转换后的状态空间表达式采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器补偿转换后的状态空间表达式中的模型不确定项和外部干扰项；
10.基于所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器构建模块化机器人系统的分散控制器；
11.基于所述模块化机器人系统的全局固定时间分散控制器对机器人进行控制。
12.可选的，所述建立基于力矩传感器的模块化机器人中的每个模块子系统建立动力学模型表示为：
[0013][0014]
其中，右下角标"i"表示第i个子系统，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，γi表示
谐波减速器的减速比，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，表示第i个关节的加速度。表示第i个关节的第一个相邻关节的速度，表示第i关节的第二个相邻关节的速度。τi表示第i个关节的控制力矩。τ
fi
为力矩传感器数测得耦合力矩。τd表示外部干扰信号。z
mi
沿第i个转子的旋转轴的单位向量；t表示转置。zj表示沿第j个关节的旋转轴的单位矢量，zk表示第k个关节的旋转轴的单位矢量。
[0015]
为动力学耦合项。表示谐波减速器的集中摩擦力和电机摩擦力，表达式为：
[0016][0017]
其中，b
fi
表示摩擦因子，f
ci
表示库仑摩擦相关系数，f
si
表示静摩擦相关系数，f
τi
表示stribeck效应参数，表示非参数摩擦项。函数表达式为：
[0018][0019]
为了简化动力学模型，定义如下公式
[0020][0021]
通过摩擦线性化，可以获得系统的动力学模型表达式为：
[0022][0023]
其中，分别是bi,f
ci
,f
τi
,f
si
的标称值，模型参数不确定项为
[0024]
可选地，所述系统状态空间表达式为：
[0025]
其中，s表示系统状态空间表达式，mi＝(i
mi
γi)-1
表示模块化机器人机械系数，i
mi
表示第i个关节的电
机转动惯量。υi表示模块化机器人运行时的集成不确定项，包括耦合力矩，不确定干扰以及不确定项摩擦项。qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，x
i1
表示qi，x
i2
表示τi表示第i个关节的电机输出力矩，τ
fi
表示第i个关节的力矩传感器测得的耦合力矩。
[0026]
可选地，所述根据所述转换后的状态空间表达式采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器补偿转换后的状态空间表达式中的模型不确定项和不确定干扰项，具体如下：
[0027]
基于所述状态空间表达式，通过基于扩张状态的固定时间干扰观测器对机器人运行时的集成不确定项进行实时估计，获得观测结果。所述的集成不确定项包含耦合力矩，外部干扰以及不确定摩擦项。
[0028]
根据所述集成不确定项的估计值和所观测结果，确定模块化机器人的分散固定时间控制器。
[0029]
可选的，所述采用基于扩张状态的干扰观测器对所述集成不确定项进行观测表示为：
[0030][0031]
其中，表示第i个关节的加速度观测器，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。表示扩张状态的第一正常数，ξi表示扩张状态的第二正常数，表示扩张状态的第一幂次，ψi表示扩张状态的第二幂次。li表示滑模系数，表示观测器误差。ei表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γi表示谐波减速器的减速比，mi＝(i
mi
γi)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。
[0032]
可选地，所述模块化机器人全局固定时间分散控制器表示为：τi＝τf+τ
eq
[0033][0034]
其中，τi表示第i个关节的电机输出力矩，τ
eq
表示第i个关节的电机等效控制力矩，τf表示第i个关节的摩擦补偿控制力矩。可选地，所述模块化机器人固定时间分散控制器确
定模块，具体包括：
[0035]
摩擦补偿确定单元，用于基于所述机器人系统动力学。基于扩张状态的固定时间干扰观测器观测值确定单元，用于基于所述系统状态空间，根据基于扩张状态的固定时间干扰观测器补偿所述系统状态空间表达式中的耦合交联项、外部干扰以及不确定摩擦项，获得所述耦合交联项、外部干扰以及不确定摩擦项的基于扩张状态的固定时间干扰观测器观测值，所述耦合交联项为模块化机器人运行时的耦合力矩；
[0036]
观测结果获得单元，用于采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器对所述集成不确定项进行观测，获得观测结果；
[0037]
模块化机器人分散固定时间控制器确定单元，用于根据所述集成不确定项的基于扩张状态的固定时间干扰观测器估计值及固定时间滑模控制，确定模块化机器人全局固定时间分散跟踪控制器。
[0038]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
[0039]
本发明公开了一种模块化机器人全局固定时间分散跟踪控制方法，根据所述系统状态空间表达式，所述固定时间滑模超平面以及基于扩张状态的固定时间干扰观测器确定模块化机器人全局固定时间跟踪控制器，模块化机器人固定时间跟踪控制器考虑内部及外部不确定干扰信号，增加了系统可靠性和稳定性；控制器的设计满足模块化要求，即各个关节模块具备相互独立的控制器，能够满足不同任务环境与多种机器人构形下的工作需要，提高机器人控制的灵活性。
附图说明
[0040]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法流程示意图；
[0043]
图2为本发明一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法原理图；
具体实施方式
[0044]
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。
[0045]
本发明的目的是提供一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法及系统，提高了控制系统的稳定性和可靠性。
[0046]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0047]
图1为本发明一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法流程示意图，如图1所示，一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法包括：
[0048]
步骤101：构建模块化机器人的系统动力学模型，系统动力学模型如下：
[0049]
其中，右下角标"i"表示第i个子系统，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，γi表示谐波减速器的减速比，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，表示第i个关节的加速度。表示第i个关节的第一个相邻关节的速度，表示第i关节的第二个相邻关节的速度。τi表示第i个关节的控制力矩。τ
fi
为力矩传感器数测得耦合力矩。τd表示外部干扰信号。z
mi
沿第i个转子的旋转轴的单位向量；t表示转置。zj表示沿第j个关节的旋转轴的单位矢量，zk表示第k个关节的旋转轴的单位矢量。
[0050]
为动力学耦合项。表示谐波减速器的集中摩擦力和电机摩擦力，表达式为：
[0051][0052]
其中，b
fi
表示摩擦因子，f
ci
表示库仑摩擦相关系数，f
si
表示静摩擦相关系数，f
τi
表示stribeck效应参数，表示非参数摩擦项。函数表达式为：
[0053][0054]
为了简化动力学模型，定义如下公式
[0055][0056]
通过摩擦线性化，可以获得系统的动力学模型表达式为：
[0057][0068]
其中，分别是bi,f
ci
,f
τi
,f
si
的标称值，模型参数不确定项为
[0059]
步骤102：根据所述子系统动力学模型获得基于扩张状态的固定时间干扰观测器。
[0060]
令系统动力学模型表示为：
[0061]
其中，s表示系统状态空间表达式，mi＝(i
mi
γi)-1
表示模块化机器人机械系数，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量。υi表示模块化机器人运行时的集成不确定项，包括耦合力矩，不确定干扰以及不确定项摩擦项。qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，x
i1
表示qi，x
i2
表示τi表示第i个关节的电机输出力矩，τ
fi
表示第i个关节的力矩传感器测得的耦合力矩。
[0062]
根据所述系统状态空间表达式设计基于扩张状态的固定时间干扰观测器表达式如下：
[0063][0064]
其中，表示第i个关节的加速度观测器，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。表示扩张状态的第一正常数，ξi表示扩张状态的第二正常数，表示扩张状态的第一幂次，ψi表示扩张状态的第二幂次。li表示滑模系数，表示观测器误差。ei表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γi表示谐波减速器的减速比，mi＝(i
mi
γi)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。
[0065]
步骤103：根据所述模块化机器人的轨迹跟踪误差确定固定时间滑模超平面。具体为：构建模块化机器人轨迹跟踪误差，设计一种新型固定时间滑模超平面如下：
[0066][0067]
接下来对固定时间滑模超平面s求导：
[0068][0069]
步骤105：根据所述系统状态空间表达式、所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器以及固定时间滑模超平面确定模块化机器人固定时间分散跟踪控制器。
[0070]
所述根据所述系统状态空间表达式、所述基于扩张状态的干扰观测器以及固定时间滑模超平面确定模块化机器人固定时间分散跟踪控制器，具体包括：
[0071]
基于所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器，根据所述系统状态空间表达式中的耦合交联项，外部干扰，获得所述耦合交联项，外部干扰的观测器观测值，所述耦合交联项为模块化机器人运行时的耦合力矩。具体为通过基于扩张状态的固定时间干扰观测器模块来补偿集成不确定干扰表达式如下：
[0072][0073]
其中，表示第i个关节的加速度观测器，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。表示扩张状态的第一正常数，ξi表示扩张状态的第二正常数，表示扩张状态的第一幂次，ψi表示扩张状态的第二幂次。li表示滑模系数，表示观测器误差。ei表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γi表示谐波减速器的减速比，mi＝(i
mi
γi)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。
[0074]
通过所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器对所述集成不确定干扰进行观测，获得观测结果；
[0075]
采用轨迹跟踪误差结合所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器观测值，获得固定时间滑模超平面；
[0076]
根据所述系统状态空间表达式、所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器以及固定时间滑模超平面确定模块化机器人固定时间分散跟踪控制器。
[0077]
所述采用轨迹跟踪误差结合所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器观测值，获得固定时间滑模超平面；
[0078][0079]
接下来对固定时间滑模超平面si求导：
[0080]
其中，表示第i个关节误差的一阶导数，表示第i个关节的加速度，表示第i个关节期望轨迹的加速度，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。ιi表示观测器误差。ei表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γi表示谐波减速器的减速比，mi＝(i
mi
γi)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。
[0081]
可选地，所述模块化机器人全局固定时间分散控制器表达式为：
[0082][0083]
其中，τi表示第i个关节的电机输出力矩，τ
eq
表示第i个关节的电机等效控制力矩，τf表示第i个关节的摩擦补偿控制力矩。
[0084]
本发明的有益效果如下：
[0085]
本发明的模块化机器人，其控制器的设计满足模块化要求，即各个关节模块具备相互独立的控制器，且能够满足不同任务环境与多种机器人构形下的工作需要，从而表现出传统机器人所不具备的优势，提高工作效率。
[0086]
本发明所提出的控制方法对存在内部及外部不确定干扰下的模块化机器人系统进行控制，增加系统可靠性和稳定性。
[0087]
综上，本发明解决了现有技术中，模块化机器人系统存在跟踪精度低、收敛速度慢、抖振等问题，为模块化机器人系统提供了精确和稳定的保障。
[0088]
下面详细说明本发明一种模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法，如图2所示，本发明控制方法的原理为：根据模块化机器人控制器参数与期望动力学的信息，与期望位置信息进行比较。通过基于扩张状态的固定时间干扰观测器对耦合项、外部干扰集成的不确定项进行观测，得到集成不确定项的观测信息。通过对非参数摩擦项的补偿，得到基于饱和的鲁棒控制信号。把集成不确定项的观测信息、基于模型的控制信号以及基于饱和的鲁棒控制信号相结合，得到固定时间分散轨迹跟踪控制律，运动到动力学模型，获得关节位置变量。与期望位置变量作差得到位置误差，再作用固定时间滑模超平面进行上述循环。
[0089]
对于相对复杂且关联度高的非线性系统，特别是模块化机器人系统，交联项的特性与内部动力学模型有很大的不同。通过设计基于扩张状态的固定时间干扰观测器对系统集成不确定项进行观测，并结合基于模型的控制信号以及基于饱和的鲁棒控制信号，得到固定时间分散轨迹跟踪控制律，运用到模块化机器人动力学模型，获取关节位置信息。
[0090]
本发明基于固定时间模块化机器人分散轨迹跟踪控制方法，该方法首先建立模块化机器人系统动力学模型，其次通过基于扩张状态的固定时间干扰观测器对模块化机器人关节间耦合交联项及外部干扰观测，然后通过位置误差信号，构建新型固定时间滑模超平面，接下来结合上述控制信号对模块化机器人系统进行控制，最后通过仿真实验验证所提出控制方法的有效性。
[0091]
step1：模块化机器人系统动力学模型的建立与变换；
[0092]
考虑具有n个旋转关节和关节力矩传感器的刚性模块化机器人的动力学方程如
下：
[0093][0094]
其中，qi，分别为第i个关节的位置、速度及加速度；i
mi
为电机转动惯量，τi为电机输出力矩，τ
fi
为第i个关节的力矩传感器输出力矩，z
mi
和zi分别为电机转子与关节沿着旋转轴方向的单位向量，为动力学耦合项。
[0095]
式(1)可以表示为如下数学模型：
[0096][0097]
上式中，s表示系统状态空间表达式，mi＝(i
mi
γi)-1
表示模块化机器人机械系数，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量。υi表示模块化机器人运行时的集成不确定项，包括耦合力矩，不确定干扰。qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，x
i1
表示qi，x
i2
表示τi表示第i个关节的电机输出力矩，τ
fi
表示第i个关节的力矩传感器测得的耦合力矩。
[0098]
step2、新型固定时间滑模超平面的构建
[0099]
首先，构建关节误差变量为：
[0100][0101]
其中，ei代表第i个关节的位置跟踪误差，qi，q
id
分别是第i个关节的实际位置和期望位置，ri代表第i个关节的累积误差信号，λ为确定常数。
[0102]
定义固定时间滑模超平面si如下：
[0103]
其中，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。
[0104]
对滑模超平面进行求导，获取相关模型如下：
[0105][0106]
step3、交联耦合项及外部干扰动力学的观测
[0107]
采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器来观测交联耦合项及外部干扰项动力学υi：
[0108][0108][0109]
其中，表示第i个关节的加速度观测器，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，αi表示第一正常数，βi表示第二正常数，μi为第一正奇数，νi为第二正奇数，μi＞1且0＜νi＜1。表示扩张状态的第一正常数，ξi表示扩张状态的第二正常数，表示扩张状态的第一幂次，ψi表示扩张状态的第二幂次。li表示滑模系数，表示观测器误差。ei表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γi表示谐波减速器的减速比，mi＝(i
mi
γi)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，qi表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。
[0110]
结合(2)、(5)和(6)，在实现在线观测来完成控制更新时，得到基于固定时间滑模的模块化机器人分散轨迹跟踪控制如下所示：τi＝τf+τ
eq
[0111][0112]
step5、仿真实验
[0113]
验证所提出的固定时间滑模的模块化机器人分散轨迹跟踪控制方法的有效性，对二自由度模块化机器人进行仿真和实验验证如下：
[0114]
模块化机器人的参考轨迹定义为：
[0115]
模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制系统物理参数及机械表参数按照表1定义。
[0116]
表1模块化机器人实验的物理参数及机械参数参数关节1关节2im(kg-m2)1.18e-051.18e-05γi101:1101:1连杆质量(kg)2.030.379连杆长度(m)0.2660.205
驱动器转换因子λd(a/v)44电机扭矩系数k
t
(nm/a)0.320.32
[0117]
通过matlab仿真结果及实验表明，所提出的固定时间分散轨迹跟踪控制方法能为模块化机器人提供稳定性和精确性，以满足各种任务的要求。

技术特征：
1.一种模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：构建基于力矩传感器的模块化机器人子系统系统动力学模型；根据所述系统动力学模型获得系统状态空间表达式；根据所述转换后的状态空间表达式采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器补偿转换后的状态空间表达式中的模型不确定项和外部干扰项；根据所述模块化机器人的轨迹跟踪误差确定固定时间滑模超平面；根据所述系统状态空间表达式、所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器以及固定时间滑模超平面确定模块化机器人固定时间分散跟踪控制器。2.根据权利要求1所述的模块化机器人固定时间分散跟踪控制方法，其特征在于，所述系统状态空间表达式为：其中，s表示系统状态空间表达式，m
i
＝(i
mi
γ
i
)-1
表示模块化机器人机械系数，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量。υ
i
表示模块化机器人运行时的集成不确定项，包括耦合力矩，不确定干扰以及不确定项摩擦项。q
i
表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，x
i1
表示q
i
，x
i2
表示τ
i
表示第i个关节的电机输出力矩，τ
fi
表示第i个关节的力矩传感器测得的耦合力矩。3.根据权利要求1所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述基于扩张状态的干扰观测器对所述集成不确定项进行观测表示为：其中，表示第i个关节的加速度观测器，表示第i个关节扩张状态的集成不确定项的估计值，α
i
表示第一正常数，β
i
表示第二正常数，μ
i
为第一正奇数，ν
i
为第二正奇数，μ
i
>1且0<ν
i
<1。表示扩张状态的第一正常数，ξ
i
表示扩张状态的第二正常数，表示扩张状态的第一幂次，ψ
i
表示扩张状态的第二幂次。l
i
表示滑模系数，表示观测器误差。e
i
表示第i个关节的位置跟踪误差。τ
fi
为第i个关节的力矩传感器测得耦合力矩，γ
i
表示谐波减速器的减速比，m
i
＝(i
mi
γ
i
)-1
，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量，q
i
表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度。4.根据权利要求1所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述根据所述系统状态空间表达式、所述固定时间滑模超平面以及基于扩张状态的干扰观测器确定模块化机械臂分散轨迹跟踪控制器，具体包括：基于所述基于扩张状态的干扰观测器，根据所述系统状态空间表达式中的耦合交联项，外部干扰，获得所述耦合交联项，外部干扰的观测器观测值，所述耦合交联项为模块化机器人运行时的耦合力矩；
通过所述轨迹跟踪误差结合所述基于扩张状态的固定时间扰动观测器观测值，获得固定时间滑模超平面；根据所述系统状态空间表达式、所述基于扩张状态的固定时间干扰观测器以及固定时间滑模超平面确定模块化机器人固定时间分散跟踪控制器。5.根据权利要求4所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述的固定时间滑模超平面表示为：其中，s表示固定时间滑模超平面，x
i1
表示第i个关节的实际轨迹，x
id
表示第i个关节的期望轨迹，α
i
表示第一正常数，β
i
表示第二正常数，μ
i
为第一正奇数，ν
i
为第二正奇数，μ
i
>1且0<ν
i
<1。6.根据权利要求4所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述模块化机器人分散轨迹跟踪控制器表示为：其中，τ
i
表示第i个关节的电机输出力矩，τ
eq
表示第i个关节的电机等效控制力矩，τ
f
表示第i个关节的摩擦补偿控制力矩。7.一种模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制系统，其特征在于，包括：系统动力学模型构建模块，用于构建模块化机器人的系统动力学模型；系统状态空间表达式获得模块，用于根据所述系统动力学模型获得系统状态空间表达式；固定时间滑模超平面确定模块，用于根据所述模块化机器人的轨迹跟踪误差确定固定时间滑模超平面；模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制器确定模块，用于根据所述系统状态空间表达式、所述固定时间滑模超平面和基于扩张状态的固定时间干扰观测器确定模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制器。8.根据权利要求7所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制系统，其特征在于，所述系统状态空间表达式为：
其中，s表示系统状态空间表达式，m
i
＝(i
mi
γ
i
)-1
表示模块化机器人机械系数，i
mi
表示第i个关节的电机转动惯量。υ
i
表示模块化机器人运行时的集成不确定项，包括耦合力矩，不确定干扰以及不确定项摩擦项。q
i
表示模块化机器人的第i个关节的位置，表示第i个关节的速度，x
i1
表示q
i
，x
i2
表示τ
i
表示第i个关节的电机输出力矩，τ
fi
表示第i个关节的力矩传感器测得的耦合力矩。9.根据权利要求7所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制系统，其特征在于，所述固定时间滑模超平面表示为：其中，x
i1
表示第i个关节的实际轨迹，x
id
表示第i个关节的期望轨迹，α
i
表示第一正常数，β
i
表示第二正常数，μ
i
为第一正奇数，ν
i
为第二正奇数，μ
i
>1且0<ν
i
<1。10.根据权利要求7所述的模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制系统，其特征在于，所述模块化机器人固定时间分散轨迹跟踪控制器确定模块，具体包括：摩擦补偿确定单元，用于基于所述机器人系统动力学。基于扩张状态的固定时间干扰观测器观测值确定单元，用于基于所述系统状态空间，根据基于扩张状态的固定时间干扰观测器补偿所述系统状态空间表达式中的耦合交联项、外部干扰，获得所述耦合交联项、外部干扰的观测值，所述耦合交联项为模块化机器人运行时的耦合力矩；观测结果获得单元，用于采用基于扩张状态的固定时间干扰观测器对所述集成不确定项进行观测，获得观测结果；模块化机器人分散固定时间控制器确定单元，用于根据所述集成不确定项的基于扩张状态的干扰观测器估计值及固定时间滑模控制，确定模块化机器人全局固定时间分散跟踪控制器。

技术总结
本发明涉及一种模块化机器人全局固定时间分散跟踪控制方法及系统，所述方法包括：构建模块化机器人的系统动力学模型；根据所述系统动力学模型获得系统状态空间表达式；根据所述模块化机器人的轨迹跟踪误差确定固定时间滑模超平面；根据所述系统状态空间表达式、所述固定时间滑模超平面和基于扩张状态的固定时间干扰观测器确定模块化机器人全局固定时间分散跟踪控制器。本发明提高了模块化机器人系统控制的可靠性和稳定性。系统控制的可靠性和稳定性。


技术研发人员：卢曾鹏 张振国 李岩 于帅 周帆 刘克平 李元春
受保护的技术使用者：长春工业大学
技术研发日：2022.10.24
技术公布日：2023/9/25