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一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法

申请号 CN202410004578.8 申请日 2024-01-03 公开(公告)号 CN117955396A 公开(公告)日 2024-04-30
申请人 华南理工大学; 发明人 屈盛官; 管铭; 屈琛稀; 何嘉悦; 李东澳; 李建华; 李小强;
摘要 本 发明 涉及一种基于神经网络的主辅 电机 协同驱动系统滑模控制方法,包括以下步骤,主辅电机协同驱动系统建模,确定主电机和辅电机之间的运动关系式;基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模 控制器 设计,将预置的主电机目标轨迹以及主电机和辅电机之间的运动关系式输入滑模控制器中获取滑模控制律;将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统,实现主电机和辅电机的精确控制。当主电机和辅电机在受 力 以及外界扰动不一致时,主电机能够准确地 跟踪 其运动轨迹,同时辅电机能够相应的跟随主电机运动,能够控制主电机和辅电机的轨迹跟踪误差保持在较小的范围内,提升了主辅电机协同驱动系统的鲁棒性、轨迹跟踪 精度 和抑制抖振等方面的性能。
权利要求

1.一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:包括以下步骤,
主辅电机协同驱动系统建模,确定主电机和辅电机之间的运动关系式;
基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制器设计,将预置的主电机目标轨迹以及主电机和辅电机之间的运动关系式输入滑模控制器中获取滑模控制律;
将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统,实现主电机和辅电机的精确控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:主电机和辅电机之间的运动关系式为:
ls=f2(lm);
lm为主电机运动所引起肌的位移,ls为辅电机运动所引起肌腱的位移。
3.根据权利要求2所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:仿真实例中取主电机和辅电机之间的运动关系式为:
4.根据权利要求1所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:控制器的设计步骤包括,
主辅电机动学方程为:
其中,lm和ls分别为主辅电机运动所引起肌腱的位移,μm和μs分别为主电机和辅电机的控制输入, 和 分别为主电机和辅电机所受到的各种外界扰动;
控制目标为主电机在跟随目标轨迹lt=f1(t)运动时,辅电机跟随主电机运动,两者相应的肌腱位移之间的关系满足:ls=f2(lm);
预置的主电机目标轨迹为:
3 2
f1(t)=‑0.000039936t+0.0032366t+0.34478t‑0.17236;
采用RBF神经网络逼近扰动项δ(x);
将RBF神经网络设计为:
其中,X是输入向量,Cj是第j个基函数中心值,bj表示基函数第j个中心点宽度的标准化q×2
常数, 为高斯函数,W∈R 是神经网络的理想权值,ε(X)是近似误差,εN是近似误差ε(X)的上限;
网络输出为:
其中, 为W的估计值;
针对主电机和辅电机,分别取滑模函数:

其中,em=lm‑lt,es=ls‑f2(lm),则 αm、αs为滑模面函数误差
放大系数;则
采用指数趋近律,有: 其中ε>0,k>0,切换函数g(s)=sgns,得:
基于此,设计滑模控制律为:
5.根据权利要求1所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:在将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统之前,还有系统稳定性证明步骤,以确定所提出的滑模控制律能否使系统处于稳定状态。
6.根据权利要求5所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:系统稳定性证明如下,
定义Lyapunov函数为:
其中,βm>0,βs>0;
由于 则:
其中,|εm|≤εM,|εs|≤εS,则:
设计自适应律为: 则:
当 时,sm=ss=0,根据LaSalle不变集原理,闭环系统为渐进稳定,即当t→∞时,sm→0,ss→0,因此,主辅电机协同驱动系统在控制器下是稳定的。
7.根据权利要求4所述的一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,其特征在于:引入双曲正切函数 代替切换函数g(s)=sgns,以调低滑模控制中的抖振,
双曲正切函数如下:

说明书全文

一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人控制技术领域,具体为一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法。

背景技术

[0002] 柔性关节仿生手由于其良好的机械柔顺性、形状适应性,近年来成为仿生手领域的研究热点之一。
[0003] 在当前人们研究的柔性关节仿生手中,大多数仿生手只有屈肌由执行器驱动,伸肌腱大都依靠基于弹簧等此类储能元件的回复系统驱动。虽然能够简化仿生手系统,但是增加了仿生手在驱动过程中的能量损耗以及影响了其运动精度,在一定程度上牺牲了仿生手的性能。
[0004] 基于此,专利《一种基于柔性关节的仿生机械手》提出了一种主辅电机协同驱动机构,用于仿生手手指的驱动,其摒弃了传统仿生机械手采用的弹簧等储能回复系统进行驱动,通过主电机和辅电机协同驱动屈肌腱和伸肌腱实现手指运动位置的静态平衡。
[0005] 其存在以下技术问题:
[0006] 由于主电机和辅电机存在非线性特性、各种扰动以及传递过程中的时变特性等问题,容易导致手指运动不协调,无法将主电机和辅电机的轨迹跟踪误差控制在较小的范围内。

发明内容

[0007] 针对现有技术中存在的问题,本发明的目的是:提供一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,能够提升主电机和辅电机的协同驱动性能,将主电机和辅电机的轨迹跟踪误差控制在较小的范围内,提高手指运动精度。
[0008] 为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0009] 一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,包括以下步骤,[0010] 主辅电机协同驱动系统建模,确定主电机和辅电机之间的运动关系式;
[0011] 基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制器设计,将预置的主电机目标轨迹以及主电机和辅电机之间的运动关系式输入滑模控制器中获取滑模控制律;
[0012] 将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统,实现主电机和辅电机的精确控制。
[0013] 进一步地,主电机和辅电机之间的运动关系式为:
[0014] ls=f2(lm);
[0015] lm为主电机运动所引起肌腱的位移,ls为辅电机运动所引起肌腱的位移。
[0016] 进一步地,仿真实例中取主电机和辅电机之间的运动关系式为:
[0017]
[0018] 进一步地,控制器的设计步骤包括,
[0019] 主辅电机动学方程为:
[0020]
[0021] 其中,lm和ls分别为主辅电机运动所引起肌腱的位移,μm和μs分别为主电机和辅电机的控制输入, 和 分别为主电机和辅电机所受到的各种外界扰动;
[0022] 控制目标为主电机在跟随目标轨迹lt=f1(t)运动时,辅电机跟随主电机运动,两者相应的肌腱位移之间的关系满足:ls=f2(lm);
[0023] 预置的主电机目标轨迹为:
[0024] f1(t)=‑0.000039936t3+0.0032366t2+0.34478t‑0.17236;
[0025] 采用RBF神经网络逼近扰动项δ(x);
[0026] 将RBF神经网络设计为:
[0027]
[0028]
[0029] 其中,X是输入向量,Cj是第j个基函数中心值,bj表示基函数第j个中心点宽度的标q×2准化常数, 为高斯函数,W∈R 是神经网络的理想权值,ε(X)是近似误差,εN是近似误差ε(X)的上限;
[0030] 网络输出为:
[0031]
[0032]
[0033] 其中, 为W的估计值;
[0034] 针对主电机和辅电机,分别取滑模函数:
[0035]
[0036] 令
[0037] 其中,em=lm‑lt,es=ls‑f2(lm),则 αm、αs为滑模面函数误差放大系数;则
[0038]
[0039] 采用指数趋近律,有: 其中ε>0,k>0,切换函数g(s)=sgns,得:
[0040]
[0041] 基于此,设计滑模控制律为:
[0042]
[0043] 进一步地,在将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统之前,还有系统稳定性证明步骤,以确定所提出的滑模控制律能否使系统处于稳定状态。
[0044] 进一步地,系统稳定性证明如下,
[0045] 定义Lyapunov函数为:
[0046]
[0047] 其中,βm>0,βs>0;
[0048]
[0049]
[0050] 由于 则:
[0051]
[0052] 其中,|εm|≤εM,|εs|≤εS,则:
[0053]
[0054] 设计自适应律为: 则:
[0055]
[0056] 当 时,sm=ss=0,根据LaSalle不变集原理,闭环系统为渐进稳定,即当t→∞时,sm→0,ss→0,因此,主辅电机协同驱动系统在控制器下是稳定的。
[0057] 进一步地,引入双曲正切函数 代替切换函数g(s)=sgns,以调低滑模控制中的抖振,
[0058] 双曲正切函数如下:
[0059]
[0060] 总的说来,本发明具有如下优点:
[0061] 本发明使用神经网络对主辅电机协同驱动系统中的模型不确定性和各种外界扰动进行逼近,解决由于主辅电机协同系统中参与的电机之间存在非线性特性、各种扰动以及传递过程中的时变特性等导致的运动不协调等问题。当主电机和辅电机在受力以及外界扰动不一致时,主电机能够准确地跟踪其运动轨迹,同时辅电机能够相应的跟随主电机运动。本发明能够控制主电机和辅电机的轨迹跟踪误差保持在较小的范围内,提升了主辅电机协同驱动系统的鲁棒性、轨迹跟踪精度和抑制抖振等方面的性能。附图说明
[0062] 图1是本发明一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法的流程图
[0063] 图2是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的目标轨迹。
[0064] 图3是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的轨迹跟踪响应。
[0065] 图4是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的轨迹跟踪误差。
[0066] 图5是本发明实施例中控制器对主电机和辅电机输出的控制信号
[0067] 图6是本发明实施例中主辅电机协同驱动机构的结构示意图。
[0068] 图中:
[0069] 1‑主电机,2‑手指,3‑肌腱,4‑辅电机。

具体实施方式

[0070] 下面来对本发明做进一步详细的说明。
[0071] 如图1、图6所示,一种基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制方法,包括以下步骤:
[0072] S1:主辅电机协同驱动系统建模,确定主电机1和辅电机4之间的运动关系式;
[0073] S2、基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制器设计,将预置的主电机1目标轨迹以及主电机1和辅电机4之间的运动关系式输入滑模控制器中获取滑模控制律;
[0074] S3、系统稳定性证明,确定所提出的滑模控制律能够使系统处于稳定状态;
[0075] S4、将滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统。
[0076] 其中,在上述S1中,搭建主辅电机的运动学模型,确定主电机1和辅电机4之间的运动关系式为:ls=f2(lm)。
[0077] 在S2中,设计基于神经网络的主辅电机协同驱动系统滑模控制器,具体为:
[0078] 主辅电机动力学方程为:
[0079]
[0080] 其中,lm和ls分别为主电机1和辅电机4转动所引起肌腱3的位移,μm和μs分别为主电机1和辅电机4的控制输入, 和 分别为主电机1和辅电机4所受到的各种外界扰动。
[0081] 控制目标为主电机1在跟随目标轨迹lt=f1(t)运动时,辅电机4跟随主电机1运动。两者相应的肌腱3位移之间的关系满足:ls=f2(lm)。
[0082] 预置的主电机1目标轨迹为:
[0083] f1(t)=‑0.000039936t3+0.0032366t2+0.34478t‑0.17236;
[0084] RBF神经网络具有良好的逼近性能以及泛化能力。采用RBF神经网络逼近扰动项δ(x)。
[0085] 将RBF神经网络设计为:
[0086]
[0087]
[0088] 其中,X是输入向量,Cj是第j个基函数中心值,bj表示基函数第j个中心点宽度的标q×2准化常数, 为高斯函数,W∈R 是神经网络的理想权值。ε(X)是近似误差,εN是近似误差ε(X)的上限。
[0089] 网络输出为:
[0090]
[0091]
[0092] 其中 为W的估计值。
[0093] 针对主电机1和辅电机4,分别取滑模函数:
[0094]
[0095] 令
[0096] 其中em=lm‑lt,es=ls‑f2(lm)。则
[0097] αm、αs为滑模面函数误差放大系数;则
[0098]
[0099] 采用指数趋近律,有: 其中ε>0,k>0。得:
[0100]
[0101] 基于此,设计滑模控制律为:
[0102]
[0103] 对上述S3中的控制律进行系统稳定性证明:
[0104] 定义Lyapunov函数为:
[0105]
[0106] 其中βm>0,βs>0。
[0107]
[0108] 由于 则:
[0109]
[0110] 其中,|εm|≤εM,|εs|≤εS,则:
[0111]
[0112] 设计自适应律为: 则:
[0113]
[0114] 当 时,sm=ss=0。根据LaSalle不变集原理,闭环系统为渐进稳定。即当t→∞时,sm→0,ss→0。因此,主辅电机协同驱动系统在本文提出的控制器下是稳定的。
[0115] 将所述滑模控制律输入主辅电机协同驱动系统,进行仿真实验。
[0116] 如图2所示是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的目标轨迹。如图3所示是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的轨迹跟踪响应。如图4所示是本发明实施例中主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的轨迹跟踪误差。如图5所示是本发明实施例中控制器对主电机和辅电机输出的控制信号
[0117] 由图2、图3可以看出,主电机和辅电机在两种不同控制器作用下的轨迹跟踪响应与目标轨迹的曲线基本重叠,由图4可以看出,主电机1和辅电机4的轨迹跟踪误差保持在较小的范围内。仿真实验的结果证明了所提出的滑模控制器提升了主辅电机协同驱动系统的鲁棒性、轨迹跟踪精度和抑制抖振等方面的性能。
[0118] 基于上述,本发明的优点在于,本发明所采用的滑模控制方法具有很强的适应性和鲁棒性,可以在不依赖于具体的系统模型的情况下进行主辅电机协同驱动系统的协同鲁棒控制,能够实时地对主辅电机协同驱动系统的环境干扰进行预测、估计和抑制,降低干扰对系统的影响,达到精确控制的效果,并且滑模控制方法能够通过设计滑模面使得控制系统达到稳定,不容易产生超调。本发明可以精确控制主辅电机协同驱动系统,解决主电机1和辅电机4在受力以及外界扰动不一致的情况下在手指2的驱动过程中产生干涉的问题。
[0119] 上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
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