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专利号: 202010115999X
申请人: 江苏大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法,其特征在于,包括如下步骤:

1)以水果分拣并联机器人夹持机构为被控对象,采用解析法对水果分拣并联机器人夹持机构进行运动学分析,求得主动关节丝杠转动的角度与夹持机构夹指的位置转换关系;

2)采用拉格朗日法建立水果分拣并联机器人夹持机构的动力学模型;

3)基于步骤2)中利用拉格朗日法建立的动力学模型,采用双环控制结构:在外环力控制中,设计一种自适应变阻抗控制器;在内环位置控制中,设计一种光滑滑模控制器;

4)针对步骤3)基于水果分拣并联机器人夹持机构光滑滑模位置控制的阻抗控制器,设计一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制算法,对阻尼参数进行基于期望夹持力与采集实际接触力的偏差的实时调整;

5)基于步骤2)、步骤3)和步骤4)构成水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制器;

6)通过软件编程,实现水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法。

2.根据权利要求1所述的一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法,其特征在于:所述步骤1)中,采用解析法对并联机器人夹持机构进行运动学分析,求得主动关节丝杠转动的角度与夹持机构夹指的位置转换关系,得:式中,ps为丝杠导程;θ为主动关节丝杠转动的角度;l1为从动杆的长度;e为滑块的结构长度;x为夹持机构夹指在X轴方向的位置;d0为滑块距离坐标原点初始位置;l3为夹指距离滑座在Y轴方向结构长度;l5为夹指距离滑座在X轴方向结构长度。

3.根据权利要求1所述的一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法,其特征在于:所述步骤2)中,采用拉格朗日法建立的动力学模型为:式中,M(q)为惯性矩阵, 为哥氏力和离心力项,G(q)为重力项,Q为广义驱动力;

由q=x为夹指的位姿,上述动力学模型可转化为:

式中,m(x)为对称正定的惯性矩阵, 为哥氏力和离心力项,g(x)为重力项,和分别为夹持机构夹指的实际速度和加速度,τ为主动关节丝杠驱动力矩;

进一步,所述步骤3)中,在外环力控制中,通过建立二阶微分方程来表示夹持机构夹指受到的力和实际位置偏离期望位置的差之间的关系,期望的目标阻抗如下:式中,md、bd、kd分别表示夹持机构的等效质量、阻尼、刚度参数;x、和 分别为夹持机构夹指的实际位移、速度和加速度;xd、 和 分别为夹持机构夹指的期望位移、速度和加速度;fd为夹持机构夹指施加给水果的期望接触力;fe为压力传感器实际采集接触力;

所设计的自适应变阻抗控制器:

式中,fd(t)为夹持机构夹指施加给水果的期望接触力;fe(t)为压力传感器实际采集接触力;m、b分别表示夹持机构的等效质量参数和阻尼参数;

e(t)=xd(t)-x(t),其中:

分别表示夹持机构夹指当前的期望位姿加速度误差(m/s2)和速度误差(m/s),分别表示夹持机构夹指的期望位姿加速度误差(m/s2)和速度误差(m/s)的微小变化量, 和 分别为夹持机构夹指的速度和加速度; 和 分别为夹持机构夹指的期望速度和加速度;Δb(t)为所设计的自适应律;

在内环位置控制中,所设计的光滑滑模控制器滑模面为:

式中:e(t)=qd(t)-q(t), λ为可调参数且满足霍尔伍兹稳定条件,qd(t)、 为夹指的期望位姿(m)、速度(m/s)和加速度(m/s2),e(t)、 为夹指的期望位姿误差(m)和速度误差(m/s)。

对S(t)求导,并将e(t), 代入得:

取等速趋近律:

式中:K(t)为切换增益,表示系统的运动点趋近切换面S=0的速率;

由于sgn(S(t))函数在实际控制系统中存在抖振问题,为减少抖振用一个连续函数S(t)代替函数sgn(S(t)),则有:

4.根据权利要求1所述的一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法,其特征在于:所述步骤4)中,基于水果分拣并联机器人夹持机构光滑滑模位置控制的阻抗控制器,设计一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制算法,对阻尼参数进行基于期望夹持力与采集实际接触力的偏差的实时调整,所设计的自适应律为:式中,b表示夹持机构的等效阻尼参数,Δb(t)为所设计的阻尼参数自适应律, 表示夹持机构夹指当前的期望位姿速度误差(m/s),Φ(t)为更新率,fd(t-λ)为前一采样周期的夹持机构夹指施加给水果的期望接触力,fe(t-λ)为前一采样周期的压力传感器实际采集接触力,λ为控制器的采样周期,σ为更新速率。

5.根据权利要求1所述的一种水果分拣并联机器人夹持机构的自适应变阻抗控制方法,其特征在于:所述步骤5)中,所构成的自适应变阻抗控制器为:式中fd(t)为夹持机构夹指施加给水果的期望接触力,fe(t)为压力传感器实际采集接触力,m、b分别表示夹持机构的等效质量参数和阻尼参数,Δb(t)为所设计的阻尼参数自适应律, e(t)=xd(t)-x(t),其中: 分别表示夹持机构夹指当前的期望位姿加速度误差(m/s2)和速度误差(m/s), 分别表示夹持机构夹指的期望位姿加速度误差(m/s2)和速度误差(m/s)的微小变化量, 和 分别为夹持机构夹指的速度和加速度, 和分别为夹持机构夹指的期望速度和加速度,Φ(t)为更新率,fd(t-λ)为前一采样周期的夹持机构夹指施加给水果的期望接触力,fe(t-λ)为前一采样周期的压力传感器实际采集接触力,λ为控制器的采样周期,σ为更新速率。