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专利号: 2022114652503
申请人: 沈阳工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-08-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1.建立带有电机动态特性和输入约束的多关节机械臂数学模型,并将多关节机械臂数学模型转换为状态方程;

步骤2.针对得到的状态方程,应用反步设计法构造虚拟控制律;

步骤3.根据虚拟控制律和状态方程中不确定的模型参数,设计带有向量投影的神经网络逼近不确定项,得到神经网络估计模型;

步骤4.针对状态方程的输入约束,构造辅助动态系统处理输入约束的影响;

步骤5.根据神经网络估计模型和辅助动态系统,设计基于动态阈值事件驱动的机械臂神经网络控制律,使得实际轨迹跟踪期望轨迹。

2.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤1中多关节机械臂数学模型为:n

其中,q∈R表示关节角位置矢量, 表示关节角速度矢量, 表示关节角n×n

加速度矢量,Mm(q)∈R 为对称正定惯性矩阵, 为离心力和哥氏力矩n n n×n

阵,Gm(q)∈R为重力矢量,u∈R为输入电压,Km∈R 表示电机电枢电流和关节力矩之间的n n×n n×n n×n转换矩阵,Im∈R为电枢电流,Lm∈R 表示电感,Rm∈R 表示电阻,Nm∈R 为电机反电动势系数,Km、Lm、Rm和Nm是正定的对角矩阵。

3.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤1中状态方程为:其中, x1=q,

输入电压的约束特性由下式表示

其中,i=1,2,...,n,uci为指令输入电压,sat(·)表示饱和函数,sign(·)表示符号函数,umi>0为输入电压的最大值。

4.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤2中虚拟控制律为:n×n n×n

其中,k1∈R 和k2∈R 为设计参数,且为正定矩阵,yd为期望的轨迹,误差变量z1=x1‑yd,z2=x2‑α1。

5.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤3中神经网络估计模型为:T

Hx=[θ1||ξ1(X)||,θ2||ξ2(X)||,...,θn||ξn(X)||]+εc其中,不确定项 εc表示逼近误差,并且满足是正常数,对于i=1,2,...,n,θi表示理想的权值向量在高斯基函数向量ξi(X)上的投影, 表示激励函数向量,ξi(X)=[ξi1T

(X),...,ξis(X)],高斯基函数为其中,s为RBF神经网络的节点个数, 为第j个节点的中心矢量,bj为第j个节点的高斯基宽度,exp(·)表示指数函数。

6.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤4中辅助动态系统为:n n×n

其中,ψ∈R为补偿信号,kψ∈R 、ψ0为设计参数,且分别为正定矩阵和正数,误差变量z3=x3‑α2,输入电压与指令输入电压之间的偏差Δu=u‑uc,对于i=1,2,...,n,z3i和Δui分别为z3和Δu的第i个分量。

7.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:步骤5中基于动态阈值事件驱动的机械臂神经网络控制律为:其中,υ为正整数,对于i=1,2,...,n,Λhi、ωi、Λdi和tsi为设计参数,且为正数,ξe(t)=uc(t)‑α3(t),ξei(t)、uci(t)和α3i(t)分别为ξe(t)、uc(t)和α3(t)的第i个分量,虚拟控制律α3的表达式为n×n n×n

其中,k3∈R 和kb∈R 为设计参数,且为正定矩阵,对于i=1,2,...,n, 为θi的估计量,Aci和δci为设计参数,且为正数。

8.根据权利要求1所述的动态阈值事件驱动的多关节机械臂神经网络控制方法,其特征在于:所述控制方法的稳定性证明方法为:构造李雅普诺夫函数L1为

对李雅普诺夫函数L1取时间导数得

将虚拟控制律α1和α2代入 得

构造李雅普诺夫函数L2为

其中,误差变量

由于机械臂参数 为斜对称矩阵,且Lm和Km是正定的对角矩n

阵,故对于任意向量χ∈R, 成立;

对李雅普诺夫函数 取时间导数得

将所设计的α3、 和 代入 得

根据杨氏不等式得

其中, 将上述不等式代入 得

将上式简化得

式中Υc=min(2λmin(k1),2λmin(k2),2λmin(k3‑2In×n)/λmax(Mx)min(δciAci),λmin(2kψ‑kbkb‑

0.5In×n))>0,i=1,2,...,n, 由可知,z1、z2、z3、 和ψ是有界的;由于z1是有界的,可得实际轨迹能够跟踪期望的轨迹;因为期望轨迹yd和其时间导数是有界的,故x1是有界的,这意味着α1是有界的;进一步可得x2、α2、x3、α3和uc(t)是有界的,因此闭环系统是稳定的;

*

最后证明存在T>0,使得 成立;

对于i=1,2,...,n和 根据ξei(t)=uci(t)‑α3i(t)得由以上推导可知,存在正常数γαi>0使得 成立;因为 和*

故相邻的最小触发时间间隔T≥Λdi/γτi;因此设计的动态阈值事件驱动方法是合理的,即避免芝诺行为。