一种灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法

本发明涉及电子信息，具体地涉及一种灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法。

背景技术：

1、自主式灵巧手在非结构化环境的精细抓取与交互中具有重要的工程价值。然而，受限于微型化灵巧手内部极其有限的空间，常规力传感器难以集成，且传动结构常采用蜗轮蜗杆以获取高减速比和自锁特性。这种物理结构在带来高保持力的同时，不可避免地引入了强干摩擦、齿隙以及自锁死区，导致系统呈现出严重的非线性。

2、现有技术中，针对此类机构的控制方案存在明显缺陷：其一，依赖理想刚性模型设计的控制器，难以区分内部摩擦和外部接触力，导致免传感器力估计结果失真，极易引发外环柔顺控制的误动作，造成接触瞬间的力超调；其二，传统滑模控制采用固定切换增益，在面对低速强摩擦及环境刚度变化时会产生过度补偿，导致系统在变环境刚度及快速抓取等宽域工况下的接触力控制精度显著下降，力跟踪过程易出现震荡，且误差方差偏大；其三，现有免传感估计方法多将总扰动视为黑箱，缺乏对内部摩擦与外部接触力的解析隔离能力，导致系统在多种工况下的稳态误差居高不下。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供一种灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，以解决因力估计失真导致的外环柔顺控制误动作问题，提升力控精度与控制的鲁棒适应性。

2、一种灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，包括：

3、s1，针对灵巧手的交叉四连杆闭环机构，利用矢量闭环约束与虚功原理，将交叉四连杆闭环机构投影降阶为单自由度等效动力学模型，并将所述单自由度等效动力学模型分离为已知名义参数与聚合性扰动项；

4、s2，构造变结构摄动观测单元，基于步骤s1获得的单自由度等效动力学模型，通过辅助速度状态构建观测误差流形，提取聚合性扰动估计值，并利用连续边界层摩擦拮抗模型从所述聚合性扰动估计值中解析解耦出内部摩擦与外部交互力矩，进而通过广义逆映射获得末端接触力估计值；

5、s3，设计模糊自适应积分滑模调节器，构建包含比例积分项的复合积分滑模流形，利用离线预构模糊规则查询表，以滑模流形及其导数作为输入直接查表获取切换增益，再结合等效控制项、前馈补偿项与连续边界层切换控制项合成复合控制力矩；

6、s4，构建外环导纳与内环滑模的双环协同控制架构，将步骤s2获得的末端接触力估计值输入二阶虚拟柔顺动态模型，生成柔顺位置修正量，再将柔顺位置修正量叠加至理论期望轨迹以形成参考指令，并利用步骤s3合成的复合控制力矩驱动灵巧手关节运动，以实现灵巧手对目标物体的柔顺抓取。

7、根据本发明提供的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，具有以下有益效果：

8、（1）本发明通过构建变结构摄动观测单元，将总扰动从名义模型中实时提取出来，并引入连续边界层摩擦拮抗模型，利用其物理可解析性将传动链内部强摩擦从聚合性扰动中剔除，从而重构出高保真度的末端接触力信号。上述过程从根本上避免了内部摩擦与外部接触力的混淆，有效抑制了变刚度接触瞬态下的力峰值超调，解决了因力估计失真导致的外环柔顺控制误动作问题。

9、（2）本发明设计了模糊自适应积分滑模调节器，通过离线预构的模糊规则查询表，根据滑模流形及其导数的变化实时调度切换增益。这种自适应机制使控制器能够根据系统状态动态调整补偿强度，避免了固定高增益在低速强摩擦工况下的过度补偿，以及固定低增益在高刚度接触时的响应不足，从而在快速进给及不同环境刚度条件下，显著收敛了力跟踪误差的波动带，提升了控制的鲁棒适应性。

10、（3）本发明基于单自由度投影降阶与摩擦拮抗模型的解析隔离机制，将总扰动明确分解为外部接触力矩、内部摩擦和参数摄动三部分。通过物理隔离与针对性补偿，而非黑箱式总扰动抑制，使得系统能够更精确地辨识和抵抗各类干扰源。实验数据显示，在20100n/rad的多级环境刚度下，本发明稳定维持了最低的平均绝对误差，大幅提升了系统在复杂工况下的稳态精度与一致性。

1.一种灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s1中，所述矢量闭环约束通过正交投影方式建立，将交叉四连杆机构的空间闭合多边形投影至x-y平面，形成位置闭环约束方程组：

3.根据权利要求2所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s1中，将所述单自由度等效动力学模型分离为已知名义参数与聚合性扰动项，表达式为：

4.根据权利要求3所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s2中，所述变结构摄动观测单元的构造过程包括：定义辅助速度估计状态，构建观测误差流形：

5.根据权利要求4所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s2中，利用连续边界层摩擦拮抗模型从聚合性扰动估计值中分离外部交互力矩：

6.根据权利要求5所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s3中，复合积分滑模流形为：

7.根据权利要求6所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s3中，复合控制力矩为：

8.根据权利要求7所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s4中，所述二阶虚拟柔顺动态模型为：

9.根据权利要求8所述的灵巧手的免传感器柔顺抓取控制方法，其特征在于，步骤s4中，外环导纳与内环滑模的双环协同控制架构通过构造李雅普诺夫能量函数证明内环位置闭环全局渐近稳定：