一種基于LuGre摩擦模型伺服機(jī)械手摩擦補(bǔ)償控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)摩擦補(bǔ)償方法，具體涉及一種基于LuGre摩擦模 型伺服機(jī)械手摩擦補(bǔ)償控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 不管是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)還是平移關(guān)節(jié)的伺服機(jī)械手系統(tǒng)中，都不可避免的存在摩擦，而 摩擦是影響高性能伺服機(jī)械手控制精度的一個(gè)重要因素。為了提高控制系統(tǒng)的性能，必須 采取有效的摩擦補(bǔ)償方法減弱或消除摩擦對(duì)伺服機(jī)械手系統(tǒng)的影響。而建立準(zhǔn)確的摩擦模 型是實(shí)現(xiàn)摩擦有效補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵。摩擦模型通常有靜態(tài)摩擦模型和動(dòng)態(tài)模型兩種，靜態(tài)摩擦 模型通常不能真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際摩擦對(duì)系統(tǒng)造成的非線性影響，在一些低速、高精度的伺服 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，并不能獲得滿意的控制結(jié)果。而動(dòng)態(tài)摩擦模型中的LuGre模型給出了任 意穩(wěn)定狀態(tài)的摩擦特性，包括摩擦滯后現(xiàn)象、靜摩擦?xí)r的彈簧特性、依賴于速度改變的變臨 界摩擦力以及Stribeck效應(yīng)等特性，可以較好的反應(yīng)實(shí)際的摩擦特性。
[0003] 為了克服摩擦給伺服機(jī)械手控制系統(tǒng)帶來的危害，專家學(xué)者們提出了一些摩擦補(bǔ) 償方法以提高系統(tǒng)的性能。PID控制簡單實(shí)用，但由于非線性摩擦可能導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差或目 標(biāo)位置附近的極限環(huán)，因此PID并不適用高精度機(jī)械手控制。有的將摩擦視為一種外界擾 動(dòng)，采用擾動(dòng)觀測器對(duì)摩擦進(jìn)行補(bǔ)償，但擾動(dòng)觀測器基于線性控制理論，只對(duì)一定帶寬信號(hào) 有效，但是摩擦作用于整個(gè)帶寬區(qū)域，因此也有不足；或者采用實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那梆佈a(bǔ)償，但由 于速度跟蹤誤差作用，會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償誤差。因此尋找其他切實(shí)有效的摩擦補(bǔ)償辦法仍是人們 所關(guān)心的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于LuGre摩擦模型伺服機(jī)械手摩擦補(bǔ)償控制系統(tǒng) 及方法，通過設(shè)置第一加法運(yùn)算器、第二加法運(yùn)算器、計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算 器、第三加法運(yùn)算器及基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)；利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器采 用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行逼近基于LuGre摩擦模型的摩擦不確定性，并與計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器結(jié)合， 以計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制為基礎(chǔ)，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)摩擦進(jìn)行學(xué)習(xí)和逼近，從而有效補(bǔ)償摩擦的影響， 提高機(jī)械手結(jié)構(gòu)跟蹤控制精度。本發(fā)明公開的一種基于LuGre摩擦模型伺服機(jī)械手摩擦補(bǔ) 償控制系統(tǒng)及方法，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器通過強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，能夠?qū)C(jī)械手結(jié)構(gòu)的 摩擦進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而提高控制性能，能夠克服現(xiàn)有的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)摩擦補(bǔ)償方法的 補(bǔ)償效果差、跟蹤誤差大的缺點(diǎn)。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)摩擦補(bǔ)償控制系統(tǒng)，其特點(diǎn)是，該摩 擦補(bǔ)償控制系統(tǒng)包含：
[0007] 第一加法運(yùn)算器，所述第一加法運(yùn)算器的第一輸入端輸入期望接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速 度信號(hào)；
[0008] 第二加法運(yùn)算器，所述第二加法運(yùn)算器的第一輸入端輸入期望接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位 移信號(hào)；
[0009] 計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器，所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器的兩輸入端分別與所述第一加法運(yùn)算器的 輸出端、所述第二加法運(yùn)算器的輸出端連接；
[0010] RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器，所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器的兩個(gè)輸入端分別與所述第一加 法運(yùn)算器的輸出端、所述第二加法運(yùn)算器的輸出端連接；
[0011] 第三加法運(yùn)算器，所述第三加法運(yùn)算器的第一輸入端與所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器的輸 出端連接，該第三加法運(yùn)算器的第二輸入端與所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器的輸出端連接；
[0012] 基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)，所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手 結(jié)構(gòu)的輸入端與所述第三加法運(yùn)算器的輸出端連接，該基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手 結(jié)構(gòu)的第一輸出端與所述第一加法運(yùn)算器的第二輸入端連接，該基于LuGre摩擦模型的伺 服機(jī)械手結(jié)構(gòu)的第二輸出端與所述第二加法運(yùn)算器的第二輸入端連接。
[0013] 優(yōu)選地，
[0014] 所述第一加法運(yùn)算器將所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)輸出的實(shí)際 接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)與所述期望的接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行相減運(yùn)算，并將運(yùn) 算結(jié)果分別輸入所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器的一個(gè)輸入端、所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器的一個(gè)輸入 端；
[0015] 所述第二加法運(yùn)算器將所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)輸出的實(shí)際 接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)與所述期望的接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)進(jìn)行相減運(yùn)算，并將運(yùn)算 結(jié)果分別輸入所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器的另一個(gè)輸入端、所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器的另一個(gè)輸 入端。
[0016] 優(yōu)選地，
[0017] 所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器根據(jù)獲取的所述第一加法運(yùn)算器運(yùn)算結(jié)果及所述第二加法 運(yùn)算器運(yùn)算結(jié)果計(jì)算出第一控制輸入力矩；
[0018] 所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器根據(jù)獲取的所述第一加法運(yùn)算器運(yùn)算結(jié)果及所述第二 加法運(yùn)算器運(yùn)算結(jié)果計(jì)算出所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立的摩擦不確 定項(xiàng)。
[0019] 優(yōu)選地，
[0020] 所述第三加法運(yùn)算器將所述計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器計(jì)算出的第一控制輸入力矩與所述 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器計(jì)算出的所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立的摩擦不 確定項(xiàng)進(jìn)行相加運(yùn)算，獲得完整控制輸入力矩，并將所述完整控制輸入力矩輸入所述基于 LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)中；
[0021] 所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立一階伺服機(jī)械手機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模 型，并根據(jù)所述第三加法運(yùn)算器獲得所述完整控制輸入力矩計(jì)算出實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速 度、實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移。
[0022] -種基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)摩擦補(bǔ)償控制方法，其特點(diǎn)是，該摩 擦補(bǔ)償控制方法包含：
[0023] S1，采用基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模 型；
[0024] S2,采用第一加法運(yùn)算器、第二加法運(yùn)算器及計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器計(jì)算出第一控制輸 入力矩；
[0025] S3,采用第一加法運(yùn)算器、第二加法運(yùn)算器及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器計(jì)算出所述基 于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)的摩擦不確定項(xiàng)；
[0026] S4,采用第三加法運(yùn)算器計(jì)算出完整控制輸入力矩，并輸入至所述基于LuGre摩 擦模型。
[0027] 優(yōu)選地，所述步驟Sl包含：
[0028] 基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立的動(dòng)力學(xué)模型具體如下：
[0029] ( 1 )
[0030] Θ為關(guān)節(jié)位置，τ為完整控制輸入力矩，I為 實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)，沒為實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)，F(xiàn)為摩擦力矩；m-伺 服機(jī)械手結(jié)構(gòu)質(zhì)量，1 一伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)連桿長度。
[0031] 優(yōu)選地，所述步驟S2包含：
[0032] S2. 1，根據(jù)設(shè)定的期望接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)色、期望接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信 號(hào)Θ d，以及所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)輸出的實(shí)際接 觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)期望接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)Θ，所述第二加法運(yùn)算器計(jì)算出 所述伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)的位置跟蹤誤差e，所述第一加法運(yùn)算器計(jì)算出所述伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu) 的速度跟蹤誤差?J
[0033] e = θ - Θ d (2) ； e - θ ~ θα (3 );
[0034] S2. 2,根據(jù)所述步驟S2. 1算出的計(jì)算出位置跟蹤誤差e及速度跟蹤誤差?，所述 計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器計(jì)算出第一控制輸入力矩τ。：
[0036] 其中，Kp、Kd分別為位置跟蹤誤差e及速度跟蹤誤差e&的比例微分控制增益。
[0037] 優(yōu)選地，所述步驟S3包含：
[0038] S3. 1，當(dāng)τ = τ。時(shí)，將式⑷帶入式⑴中得到：
[0043] S3. 2,采用所述RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算器估算所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手 結(jié)構(gòu)建立伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)的摩擦不確定項(xiàng)：
[0044]
[0045] 其中，x e Rn是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入向量；#為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值矩陣；
爐(.V) = 爐，(^)，,..(6),,(X)]'是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的尚斯基函數(shù)，其中 別表示第i個(gè)高斯基函數(shù)的中心和寬度；ε是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差。
[0046] 優(yōu)選地，所述步驟S4包含：
[0047] S4. 1，根據(jù)所述步驟S2獲取的第一控制輸入力矩τ。、所述步驟S3獲取的所述基 于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)建立伺服機(jī)械手結(jié)構(gòu)的摩擦不確定項(xiàng)，所述第三加法 運(yùn)算器計(jì)算出完整控制輸入力矩τ :
[0048]
[0049] S4. 2,將所述完整控制輸入力矩τ輸入所述基于LuGre摩擦模型的伺服機(jī)械手結(jié) 構(gòu)，輸出經(jīng)補(bǔ)償控制的實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度信號(hào)、實(shí)際接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)位移信號(hào)。
[0050] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0051] 本發(fā)明公開的一種基