CN107748496B - 基于参数自适应调节的阻抗控制器算法 - Google Patents

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    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance

Abstract

本发明涉及力反馈遥操作中一种从端柔顺控制算法，为基于参数自适应调节的阻抗控制器算法，该算法着眼于从端接触时，可能出现的过大的接触力或过大的侵入深度，与现有控制方法相比，通过同时传递主端的力和位置，构造控制器的两路输入，实现在模型准确的稳定状态下从端对主端的位置跟踪。同时，根据主端力/位信息分析操作者意图，与从端实际状态做比较，自动调整阻抗参数，在模型不匹配的过渡状态中以较保守的方式执行指令，能够同时限制从端过大的接触力和侵入深度，显著提高了从端的安全性和稳定性，不仅在系统稳定状态下保证了较好的跟踪性和透明性，而且在系统过渡状态下限制了从端过大的接触力和侵入深度，有效提高了系统的安全性。

Description

基于参数自适应调节的阻抗控制器算法
技术领域
本发明涉及力反馈遥操作技术中的从端柔顺控制方法，是基于参数自适应调节的阻抗控制器算法。
背景技术
对环境参数的在线辨识和主端模型的更新修正能够减小环境模型的误差，但是不可能完全消除误差。在过渡状态中，环境位置误差和刚度误差都会导致较大的接触力，从而破坏从端机械臂或者环境。即使主端模型已经较为精确，在与刚度较大的环境接触时，仍然需要柔顺控制来保证系统的稳定性。基于模型的遥操作方法的从端需要采用柔顺控制器来保证系统的安全稳定，并在稳定状态下实现对主端命令的跟踪，完成操作任务。
本算法针对基于模型的遥操作系统中的从端控制器展开研究，主要关注从端接触时，可能出现的过大的接触力或过大的侵入深度。
发明内容
本发明在从端柔顺控制的研究中，通过同时传递主端的力和位置，构造控制器的两路输入，实现在模型准确的稳定状态下从端对主端的位置跟踪。同时，根据主端力/位信息分析操作者意图，与从端实际状态做比较，自动调整阻抗参数，在模型不匹配的过渡状态中以较保守的方式执行指令，能够同时限制从端过大的接触力和侵入深度，显著提高了从端的安全性和稳定性。
本发明采用以下技术方案，步骤包括：
步骤一、控制器使用二阶阻抗模型：
Figure GDA0002594523840000011
其中Md,Bd,Kd分别期望质量、阻尼和刚度。ef＝fd-fe，x,fe分别实际位置和实际接触力。基本控制律为：
Figure GDA0002594523840000012
则在平衡状态可得：
Kd(xs-xd)＝fd-fe (3)
步骤二、当从端处于自由运动阶段时，令xd＝xm，即从端跟踪主端位置，且位置误差的比例增益为Kd。式(1)可变为：
Kd(xs-xm)＝fm-fs (4)
可得稳态误差：
Figure GDA0002594523840000013
步骤三、当从端处于接触阶段时，定义δxm和δxs分别为主端侵入深度和从端侵入深度。
Figure GDA0002594523840000021
Figure GDA0002594523840000022
期望位置输入改为：
Figure GDA0002594523840000023
为了保证从端的安全性和稳定性，设置限制条件如下：
Figure GDA0002594523840000024
Figure GDA0002594523840000025
αF和αP为大于1的常数，分别代表对稳态下从端接触力与侵入深入相对于其主端值的比例。
在满足限制条件的前提下，可以通过根据环境刚度调节阻抗参数来改善与环境接触的稳定性和动态特性。记此调节律为F(Ke)。则满足式(9)和式(10)的阻抗控制器的期望刚度设为：
Figure GDA0002594523840000026
附图说明
图1为基于参数自适应调节的阻抗控制器结构图；图2为过渡状态下的自适应阻抗控制图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定于本发明。
在图1中xm,fm和Km分别为从主端传递到从端的主端位置，主端反馈力和主端环境刚度。其中主端位置和主端反馈力分别作为从端的期望位置xd和期望接触力fd。Kd,Bd,Md分别为阻抗控制器的目标阻抗参数。
主端操作设备上通常没有力传感器，不能直接测得操作者对操作设备施加的作用力。但是考虑到遥操作系统中常用的力反馈设备(如Geomagic Touch)都具有低惯量和低阻尼的特性，而且正常操作过程中的速度和加速度都较小，模型更新算法的使用也避免了参数突变带来的冲击，可以认为设备渲染力的大小与人手施加作用力基本一致。因此，使用主端渲染力作为期望力，令fe＝fs，x＝xs，fd＝fm。
搭建实验平台以验证控制算法。使用Geomagic Touch作为主端控制器，并使用其编程接口开发了主端控制程序。使用增量式变积分速率PID控制算法，开发了实验室自主研制的三自由度平动手控器的位置控制器，力控制器。从端使用SPRLS算法进行环境参数辨识。主端控制程序与从端控制程序使用TCP/IP的方式进行通信，设置了数据缓存队列来模拟时延，时延控制精度小于0.01s。
对于参数设置，设Md为2kg，期望动态特性为临界阻尼，即ξd为1。取αF＝1.3，αP＝1.3。根据经验调节规律，令F(Ke)在Ke较大时取较小的值，Ke较小时取较大的值。
为了便于接触状态下的精细操作，对主端位置输入作6:1的比例映射。前向时延设为2s，为了便于观察比较，实验结果图中对从端数据曲线向左平移2s以与对应主端数据曲线对齐。为了防止主从端开始运动的时间不一致导致混淆，以下对实验结果中时间的表述均为图中横坐标标识的时间。

Claims (1)

1.一种基于参数自适应调节的阻抗控制器算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、控制器使用二阶阻抗模型：
Figure FDA0002594523830000011
其中Md,Bd,Kd分别期望质量、阻尼和刚度，ef＝fd-fe，xs,fe分别表示实际位置和实际接触力，基本控制律为：
Figure FDA0002594523830000012
则在平衡状态可得：
Kd(xs-xd)＝fd-fe (3)
步骤二、当从端处于自由运动阶段时，令xd＝xm，xm表示主端位置，即从端跟踪主端位置，且位置误差的比例增益为Kd，式(1)可变为：
Kd(xs-xm)＝fm-fs (4)
可得稳态误差：
Figure FDA0002594523830000013
步骤三、当从端处于接触阶段时，定义δxm和δxs分别为主端侵入深度和从端侵入深度；
Figure FDA0002594523830000014
Figure FDA0002594523830000015
期望位置输入改为：
Figure FDA0002594523830000016
为了保证从端的安全性和稳定性，设置限制条件如下：
Figure FDA0002594523830000017
Figure FDA0002594523830000018
αF和αP为大于1的常数，分别代表对稳态下从端接触力与侵入深入相对于其主端值的比例；
在满足限制条件的前提下，可以通过根据环境刚度调节阻抗参数来改善与环境接触的稳定性和动态特性，记此调节律为F(Ke)，则满足式(9)和式(10)的阻抗控制器的期望刚度设为式(11)所示：
Figure FDA0002594523830000021
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