李杰奇,董靖宇,彭涛,王重,李俨
摘要: 绳驱连续体机械臂具有低转动惯量、高柔顺性和超冗余连续弯曲能力,能够适应狭窄空间中的连续弯曲与柔顺接触需求,为舱内外巡检、设备维护和载荷操作等空间任务提供轻量化精细操作方案。然而,非线性摩擦、传动回差和材料迟滞等因素会导致机械臂实际形变与理想分段常曲率(Piecewise Constant Curvature, PCC)模型估计结果之间产生偏差,影响末端位置建模精度与闭环控制性能。针对该问题,论文提出一种基于物理信息神经网络的绳驱连续体空间操作机械臂模型预测控制方法。该方法以分段常曲率模型作为几何先验,构建物理信息神经网络(Physics-Informed Neural Network, PINN)估计未建模因素引起的末端位置残差,并通过主轴长度边界和摩擦残差空间对称性约束提高模型的物理一致性。在此基础上,将 PINN 模型嵌入模型预测控制框架,在滚动优化过程中考虑绳长行程与驱动速度约束,实现约束条件下的末端位置跟踪控制。同时,基于终端约束框架与李雅普诺夫稳定性理论,证明控制律的递归可行性、末端位置估计误差的渐近收敛性以及真实末端跟踪误差的最终有界性。基于三段式绳驱连续体机械臂样机的地面实验结果表明,所提方法在末端位置估计、定点跟踪以及连续空间轨迹跟踪方面具有优势。
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