CN110286630A - 磁驱机器人系统容错控制方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁驱机器人系统容错控制方法、装置、设备以及计算机存储介质,方法包括:搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型;根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作并具有广阔的市场应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及计算机信息技术领域,具体地涉及一种磁驱机器人系统容错控制方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
磁驱机器人通过外加电磁线圈提供的磁场力驱动,相比于自带推进器的传统机器人,具有结构简单,易于控制的优点。尤其是尺度在微纳米级别的小型磁驱机器人,通过外源磁场力驱动,可以用于癌症靶向治疗、血管疏通、环境污染物降解等多领域,因而近年来受到广泛关注。
由于磁驱机器人的驱动模块中,存在电磁线圈发热以及铁芯磁滞、磁阻等因素的影响,磁驱模块实际作用在机器人上的驱动力可能达不到理想值,从而降低了控制精度。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足,提供一种磁驱机器人系统容错控制方法、装置、设备和系统,能够使得机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业并实现稳定工作,具有广阔的市场应用前景。
第一方面,本发明实施例提供了一种磁驱机器人系统容错控制方法,包括:
搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;
根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型;
根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
优选地,所述根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型,具体为:
根据磁驱机器人的质量、磁驱机器人在作业时的三维位置坐标、建模误差磁驱力以及磁驱机器人在运动时所受的阻力建立磁驱机器人作业时的动力学模型。
优选地,所述动力学模型的表达式为:其中,m是磁驱机器人的质量;P是磁驱机器人作业时的三维位置坐标;Fm是电磁线圈给磁驱机器人提供的磁场,表示为空间中任意方向的磁驱力;Ff是机器人在运动时所受的阻力;Δ为建模误差。
优选地,所述磁驱力的表达式为:其中, μ0是真空中的磁导率,I是流经电磁线圈的电流大小,dl为电流元的线元,P′是磁场源的三维位置坐标。
优选地,所述非线性容错控制器的表达式为: 其中0<μ≤ε,k1,k2以及δ为非负控制增益,为符号函数,
第二方面,本发明实施例提供了一种磁驱机器人系统容错控制装置,包括:
搭建单元,用于搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;
动力学模型建立单元,用于根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型。
非线性容错控制器构建单元,用于根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
优选地,所述动力学模型建立单元,具体为:
根据磁驱机器人的质量、磁驱机器人在作业时的三维位置坐标、建模误差磁驱力以及磁驱机器人在运动时所受的阻力建立磁驱机器人作业时的动力学模型。
优选地,所述动力学模型的表达式为:其中,m是磁驱机器人的质量;P是磁驱机器人作业时的三维位置坐标;Fm是电磁线圈给磁驱机器人提供的磁场,表示为空间中任意方向的磁驱力;Ff是机器人在运动时所受的阻力;Δ为建模误差。
优选地,所述磁驱力的表达式为:其中, μ0是真空中的磁导率,I是流经电磁线圈的电流大小,dl为电流元的线元,P′是磁场源的三维位置坐标。
优选地,所述非线性容错控制器的表达式为: 其中0<μ≤ε,k1,k2以及δ为非负控制增益,为符号函数,
第三方面,本发明实施例还提供了一种磁驱机器人系统容错控制设备,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如第一方面所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
第四方面,本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序,其中,在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如第一方面所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
实施本发明实施例,具有如下有益技术效果:
本发明根据容错控制算法以及动力学模型设计非线性容错控制器,可以使得机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业并实现稳定工作,具有广阔的市场应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的一种磁驱机器人系统容错控制方法的流程示意图。
图2为本发明第一实施例提供的一种磁驱机器人的结构示意图。
图3为本发明第二实施例提供的一种磁驱机器人系统容错控制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解,本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地,取决于语境,短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象,不代表针对对象的特定排序,可以理解地,“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换,以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例一:
请参阅图1和图2,本发明第一实施例提供了磁驱机器人系统容错控制方法,其可由磁驱机器人系统容错控制设备来执行,特别的,由磁驱机器人系统容错控制设备内的一个或多个处理器来执行,并至少包括如下步骤:
S10,搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈10、铁芯20、负载30以及系统基体40,详见图2。
S20,根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型。
在本实施例中,根据磁驱机器人的质量、磁驱机器人在作业时的三维位置坐标、建模误差磁驱力以及磁驱机器人在运动时所受的阻力建立磁驱机器人作业时的动力学模型。具体地,建立磁驱机器人作业时的动力学模型的表达式为:其中m是机器人的质量;P是机器人作业时的三维位置坐标,可以写作向量P=[Px,Py,Pz]T;Fm是电磁线圈给机器人提供的磁场力,可以写作向量Fmag=[Fmagx,Fmagy,Fmagz]T,表示为空间中任意方向的磁驱力;Ff是机器人在运动时所受到的阻力,可以写作向量Ff=[Ffx,Ffy,Ffz]T,把机器人的形状简化成球体时,阻力即与机器人运动的速度成正比,可写作其中kf为阻力比例系数;Δ为系统建模误差,可以写作向量Δ=[Δx,Δy,Δz]T。其中,磁驱力可由下述公式得到:其中磁矩
(3);磁感应强度可由毕奥-沙伐定理得到;其中μ0是真空中的磁导率,I是流经电磁线圈的电流大小,dl为电流元的线元,P′是磁场源的三维位置坐标,可以写作向量P′=[P′x,P′y,P′z]T。由此公式(2)-(4)可知,机器人所受的磁驱力与其位置及电磁线圈中流经的电流有关。
定义Pd为机器人作业时的预设位置坐标,Po为机器人作业时的实时位置坐标,此时对该机器人作业时的运动控制目标可转换成使位置误差e=Po-Pd以及速度误差趋于0。为了将公式(1)写出状态空间表达式,进一步定义并且令以及那么公式(1)可以表达为:另外可以把磁驱力Fmag看成是整个系统的输入。由此,对机器人的控制目标进一步转换为零化跟踪误差E1及E2。
S30,根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
在本实施例中,考虑到由于电磁线圈发热以及铁芯磁滞、磁阻等的影响,磁驱模块实际作用在机器人上的驱动力可能达不到理想值,从而降低控制精度。根据容错控制算法,设计非线性容错控制器,使得机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业并实现稳定工作。具体实施步骤如下:
首先考虑到由于电磁线圈发热以及铁芯磁滞、磁阻等的影响,导致磁驱模块实际作用在机器人上的驱动力可能达不到理想值,在之后的推理中,可在磁驱力Fmag之前乘以容错系数ε,其中0<ε≤1。于是公式(1)可变为:其中F′mag=εFmag,转换成状态空间表达式后变成
接着构造机器人的容错控制器如下: 其中0<μ≤ε,k1,k2以及δ为非负控制增益,为符号函数,写作对于(7),建立如下的李雅普诺夫函数: 对公式(9)进行求导得到: 由不等式其中δ>0。将不等式(11)代入公式(10),可得: 将控制器(8)代入上述不等式,得到: 由于0<μ≤ε,1-ε/μ≤0,不等式(13)变为: 取一正数K=min{k1,k2},不等式(14)可简化为: 对不等式(15)两边各乘e2Kt,并对其在[0,t]进行积分,得到: 对不等式(16)两边各作开平方运算,然后把李雅普诺夫函数(9)代入上述不等式,最后可得:不等式(17)表明,整个磁驱机器人控制系统的在驱动输入未达到理想值时,仍能保持李雅普诺夫稳定性。选择合适的控制参数k1,k2以及δ,所设计的容错控制器(见公式(8))会使得磁驱机器人系统运行稳定。
本发明根据容错控制算法以及动力学模型设计非线性容错控制器,可以使得机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业并实现稳定工作,具有广阔的市场应用前景。
本发明第二实施例:
参见图3,本发明第三实施例提供了一种磁驱机器人系统容错控制装置,包括:
搭建单元,用于搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;
动力学模型建立单元,用于根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型。
非线性容错控制器构建单元,用于根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
优选地,所述动力学模型建立单元,具体为:
根据磁驱机器人的质量、磁驱机器人在作业时的三维位置坐标、建模误差磁驱力以及磁驱机器人在运动时所受的阻力建立磁驱机器人作业时的动力学模型。
优选地,所述动力学模型的表达式为:其中,m是磁驱机器人的质量;P是磁驱机器人作业时的三维位置坐标;Fm是电磁线圈给磁驱机器人提供的磁场,表示为空间中任意方向的磁驱力;Ff是机器人在运动时所受的阻力;Δ为建模误差。
优选地,所述磁驱力的表达式为:其中, μ0是真空中的磁导率,I是流经电磁线圈的电流大小,dl为电流元的线元,P′是磁场源的三维位置坐标。
优选地,所述非线性容错控制器的表达式为: 其中0<μ≤ε,k1,k2以及δ为非负控制增益,为符号函数,
本发明实施例还提供了一种磁驱机器人系统容错控制设备,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上述实施例所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序,其中,在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如上述实施例所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
示例性地,本发明实施例所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块,所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中,并由所述处理器执行,以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段,该指令段用于描述所述计算机程序在所述实现磁驱机器人系统容错控制方法的执行过程。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(3Digital Signal Processor,3DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrate3D Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Fiel3D-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块,所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块,以及调用存储在存储器内的数据,实现磁驱机器人系统容错控制系统的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等;存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如硬盘、内存、插接式硬盘,智能存储卡(Smart Me3Dia Car3D,SMC),安全数字(Secure3Digital,S3D)卡,闪存卡(Flash Car3D)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本系统包含两个数据库。数据存储数据库,是服务器群进行存储调用信息的载体,存储数据包括导入的原始数据、清洗后的整理数据、模型数据、报表数据、评级结果数据等内容;CRM数据库主要存储受评客户评级结果展示信息,为客户关系管理的统一存储数据库。
其中,所述实现一种磁驱机器人系统容错控制系统的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程,也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Rea3D-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Ran3Dom Access Memory)、电载波信号、GPU、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是,所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减,例如在某些司法管辖区,根据立法和专利实践,计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外,本发明提供的装置实施例附图中,模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接,具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
需说明的是,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外,本发明提供的装置实施例附图中,模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接,具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种磁驱机器人系统容错控制方法,其特征在于,包括:
搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;
根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型;
根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
2.根据权利要求1所述的磁驱机器人系统容错控制方法,其特征在于,所述根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型,具体为:
根据磁驱机器人的质量、磁驱机器人在作业时的三维位置坐标、建模误差磁驱力以及磁驱机器人在运动时所受的阻力建立磁驱机器人作业时的动力学模型。
3.根据权利要求2所述的磁驱机器人系统容错控制方法,其特征在于,所述动力学模型的表达式为:其中,m是磁驱机器人的质量;P是磁驱机器人作业时的三维位置坐标;Fm是电磁线圈给磁驱机器人提供的磁场,表示为空间中任意方向的磁驱力;Ff是机器人在运动时所受的阻力;Δ为建模误差。
4.根据权利要求3所述的磁驱机器人系统容错控制方法,其特征在于,所述磁驱力的表达式为:其中, μ0是真空中的磁导率,I是流经电磁线圈的电流大小,dl为电流元的线元,P′是磁场源的三维位置坐标。
5.根据权利要求1所述的磁驱机器人系统容错控制方法,其特征在于,
所述非线性容错控制器的表达式为: 其中0<μ≤ε,k1,k2以及δ为非负控制增益,为符号函数,
6.一种磁驱机器人系统容错控制装置,其特征在于,包括:
搭建单元,用于搭建磁驱机器人;其中,所述磁驱机器人包括线圈、铁芯、负载以及系统基体;
动力学模型建立单元,用于根据物理学原理建立所述磁驱机器人作业时的动力学模型;
非线性容错控制器构建单元,用于根据容错控制算法以及动力学模型,构建非线性容错控制器,以使得所述磁驱机器人在外磁场的驱动下完成精确控制作业,以实现稳定工作。
7.一种磁驱机器人系统容错控制设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序,所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至5任意一项所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序,其中,在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至5任意一项所述的磁驱机器人系统容错控制方法。
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