一种基于PSO优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法及系统

本发明涉及机器人运动控制，具体为一种基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法及系统。

背景技术：

1、机械臂在高速搬运、精密装配、焊接、打磨和医疗辅助操作等场景中需要同时满足快速响应和高精度定位要求。由于机械臂存在多关节耦合、惯性参数变化、重力影响和外部扰动，当关节速度或加速度变化较大时，容易产生跟踪误差、控制力矩波动和末端振动，进而影响作业质量和设备寿命。

2、现有机械臂振动抑制方法通常采用pid控制、传统滑模控制、轨迹平滑或单独的扰动补偿方法。pid控制参数整定依赖经验，面对强耦合和非线性动力学时鲁棒性不足；传统滑模控制虽然具有抗扰能力，但符号函数容易引起抖振，导致控制力矩不平滑；仅通过轨迹规划降低振动时，又难以处理运行过程中的未建模扰动和动力学误差。

3、因此，需要一种能够兼顾轨迹平滑性、动力学补偿、扰动估计和控制参数优化的机械臂振动抑制方法，以在不增加复杂硬件的条件下提高六自由度机械臂的轨迹跟踪精度，降低误差峰值和控制力矩波动。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明解决的技术问题是：现有机械臂控制方法存在轨迹跟踪误差较大、控制力矩抖振明显、扰动补偿不足以及控制参数难以整定的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，包括根据初始关节角和目标关节角生成五次多项式轨迹；根据六自由度机械臂动力学模型计算质量矩阵、科氏/离心力向量和重力向量；通过扰动观测器估计外部扰动力矩；通过积分滑模控制律生成控制力矩；利用pso优化控制增益，从而抑制机械臂振动。

4、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的一种优选方案，其中：所述五次多项式轨迹通过归一化时间τ构造，使轨迹在起止时刻速度和加速度连续，减少目标轨迹自身引入的冲击。

5、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的一种优选方案，其中：所述动力学模型通过动能法求取质量矩阵，并通过数值微分计算质量矩阵对关节角的偏导，从而得到科氏/离心力向量。

6、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的一种优选方案，其中：所述扰动观测器根据动力学残差更新扰动估计值，使控制律能够实时抵消随时间变化的外部扰动力矩。

7、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的一种优选方案，其中：所述积分滑模控制律在滑模面中引入误差积分项，降低稳态误差；同时利用饱和函数代替符号函数，减少滑模控制中的抖振。

8、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的一种优选方案，其中：所述pso优化算法以综合跟踪误差、控制力矩波动和稳态误差为适应度评价指标，对gain_c、gain_k、gain_epsilon和gain_zeta进行寻优。

9、本发明的另外一个目的是提供一种基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制系统，其能够通过模块化结构完成轨迹生成、动力学建模、扰动观测、控制力矩计算和参数优化。

10、作为本发明所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制系统的一种优选方案，其中：包括轨迹生成模块、动力学建模模块、扰动观测模块、积分滑模控制模块、pso参数优化模块和机械臂执行模块。

11、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的步骤。

12、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的步骤。

13、本发明的有益效果：本发明提供的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，通过五次多项式轨迹保证期望关节运动连续平滑，通过动力学逆补偿提高控制精度，通过扰动观测器抵消外部扰动，通过饱和函数积分滑模控制减少抖振，并通过pso优化增益参数，使机械臂在受到外部扰动时仍能保持较小的跟踪误差和较平滑的控制力矩。

1.一种基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述五次多项式关节空间轨迹包括将归一化时间τ限制在[0，1]内，并根据s＝10τ3-15τ4+6τ5、计算轨迹基函数、速度基函数和加速度基函数。

3.如权利要求2所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述期望关节角、期望关节速度和期望关节加速度分别为qd＝q0+(qf-q0)s、其中q0为六个关节初始角，qf为六个关节目标角。

4.如权利要求1所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述六自由度机械臂动力学模型通过动能法构建质量矩阵m(q)，通过质量矩阵对关节角的数值微分计算科氏/离心力向量c(q，dq)，并根据机械臂连杆质量、转动惯量、连杆长度及重力加速度计算重力向量g(q)。

5.如权利要求4所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述外部扰动力矩为d(t)＝3sin(t)/(1+t)·16，使每个关节受到相同形式的随时间衰减扰动，机械臂关节加速度由qdd＝m(q)-1(τ+d-c-g)获得。

6.如权利要求1所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述扰动观测器根据residual＝m(q)qdd+c(q，dq)+g(q)-τ计算动力学残差，并根据dhat_dot＝gainl(residual-dhat)更新扰动力矩估计值dhat。

7.如权利要求1所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述积分滑模控制律包括计算位置误差e＝qd-q和速度误差ed＝dqd-dq，构造滑模面s＝gain_c·e+ed+gain_k·ei，并利用边界层参数boundary对s进行饱和处理。

8.如权利要求7所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法，其特征在于：所述控制律中的目标加速度为v＝ddqd+gain_c·ed+gain_k·e+gainepsilon·s+gainzeta·sat(s/boundary)，控制力矩为τ＝m(q)v+c(q，dq)+g(q)-dhat。

9.一种采用如权利要求1～8任一所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的系统，其特征在于：包括轨迹生成模块、动力学建模模块、扰动观测模块、积分滑模控制模块、pso参数优化模块和机械臂执行模块；所述轨迹生成模块用于输出qd、dqd和ddqd；所述动力学建模模块用于输出m(q)、c(q，dq)和g(q)；所述扰动观测模块用于输出dhat；所述积分滑模控制模块用于输出控制力矩τ；所述pso参数优化模块用于优化控制增益；所述机械臂执行模块用于根据控制力矩驱动机械臂运动并反馈关节状态。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8中任一项所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的步骤。

11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的基于pso优化积分滑模控制与扰动观测的机械臂振动抑制方法的步骤。