CN107932506B - 一种力反馈双边遥操作稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力反馈双边遥操作稳定控制方法，通过前向通信通道和反向通信通道存在的有界随时时延和主控制模块采用的H_∞控制算法，对有界时延情形下的力反馈双边遥操作系统进行稳定控制，并对系统的扰动等不确定性具有较好的鲁棒性，从控制模块采用反演滑模控制算法，实现快速响应，可处理遥操作系统中的各种不确定性，对干扰不敏感。最终达到灵活快速控制，并在稳定控制的前提下提高系统的跟踪性能。

Description

一种力反馈双边遥操作稳定控制方法

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种力反馈双边遥操作稳定控制方法。

背景技术

由于传感器、控制及人工智能等技术的发展水平限制，机器人在往全自主智能化的发展中，近期内无法实现在复杂非结构化环境自主完成任务。遥操作的机器人技术将主端操作者的智能决策融合到机器人的实时控制中，很大程度的提高了处于复杂环境中的机器人完成任务的效率。遥操作机器人使人类拥有了在远程操控物体的能力。

随着科学技术的飞跃发展，遥操作的应用己经从核工业领域，空间和水下探索，发展到了医疗领域，虚拟现实领域以及近年来的的娱乐行业。遥操作的医学应用随着力触觉设备的研究发展而变得尤为重要。计算机网络技术的飞跃发展也给双边遥操作机器人技术提供了更广阔的应用空间。一方面，有许多重要的应用因为人不能直接或完全接触操作环境或者操作环境太复杂或成本太大必须依靠远程作业，比如太空探险，水下探险，核操作等。另一方面，自主机器人在这些环境中灵活作业目前还不现实，因此远程作业成为一种必要选择。尤其如今将Internet网络系统作为遥操作机器人系统信号传输的媒介，系统的低成本、高效率、易维护性、可重构性等特点更加明显。因此，遥操作机器人系统在诸如建设、服务、医疗、国防等远端平台或机械装备的操作方面有着巨大的应用前景。

稳定性和跟踪性能是力反馈双边遥操作系统的两个主要难点。尽管现有文献在力反馈双边遥操作系统的控制算法和性能分析中取得了一些成果，但仍存在许多亟待解决的问题。例如，在波变量理论中，尽管一些文献提出了变时延情况下的遥操作系统的稳定控制方法，但这些方法仍存在一定的保守性，即遥操作系统跟踪性能较差。时域无源控制方法在一定程度上解决了波变量方法跟踪性能较差的问题，但是时域无源控制方法将遥操作系统表示成电路结构的前提是此时系统是1自由度的，即时域无源控制方法只适用于1自由度的操作系统。在现实应用中，所设计的力反馈双边遥操作系统应该在任意时延的情况下可以稳定运行，并且具有较好的跟踪性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种力反馈双边遥操作稳定控制方法，在稳定控制的前提下提高系统的跟踪性能。

为实现上述发明目的，本发明为一种力反馈双边遥操作稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立主机器人动力学模型

主机器人动力学模型为：

其中，q_m是主机器人的位置向量，

是主机器人的速度向量，

是主机器人的加速度向量，τ_m是主机器人的控制力矩，M_m(q_m)是主机器人的质量矩阵，

是主机器人的离心力和哥氏力矢量，G_m(q_m)是主机器人的重力矢量，F_h是操作者作用在主机器人上的力；

(2)、设计主控制模块的H_∞控制算法

(2.1)、建立主控制器模块模型：

z(t)＝Dx(t)

其中，x(t)∈Rⁿ是系统的状态向量，

是x(t)的一阶导数，ω(t)∈R^q是外部扰动，z(t)∈R^p是被控输出，Rⁿ、R^p、R^q均表示空间，n,p,q表示空间维数且均为正整数，A，B，E，C，D是具有适当维数的常系数矩阵，d(t)为通信环节的时变时延；

(2.2)、设计主控制模块增益矩阵，使H_∞性能指标对||z(t)||₂＜γ||ω(t)||₂成立，其中，||z(t)||₂和||ω(t)||₂分别表示z(t)和ω(t)的二范数，γ为常数；

(3)、建立从机器人动力学模型

从机器人动力学模型为：

其中，q_s是从机器人的位置向量，

是从机器人的速度向量，

是从机器人的加速度向量，τ_s是从机器人的控制力矩，M_s(q_s)是从机器人的质量矩阵，

是从机器人的离心力和哥氏力矢量，G_s(q_s)是从机器人的重力矢量，F_e是环境作用在从机器人上的力；

(4)、设计从控制模块的反演控制算法

从控制器模块采用的反演控制律为：

其中，k₁，k₂为大于0的常数，z₁＝q_s-q_m，

λ₁＞0，S＝k₁z₁+z₂，||S||为S的范数；

(5)、在实际操作时，利用主传感器模块测量得到操作者施加给主机器人的力F_h和主机器人的位置q_m；利用从传感器模块测量得到环境施加在从机器人上的力F_e和从机器人的位置q_s；利用前向通信通道传输由主控制器模块发送的主机器人的位置向量q_m给从控制器模块，同时利用反向通信通道传输由从控制器模块反馈的从机器人的位置向量q_s给主控制器模块；

(6)、主、从控制模块按照各自的控制算法实现对主、从机器人的双边遥操作稳定控制。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种力反馈双边遥操作稳定控制方法，通过前向通信通道和反向通信通道存在的有界随时时延和主控制模块采用的H_∞控制算法，对有界时延情形下的力反馈双边遥操作系统进行稳定控制，并对系统的扰动等不确定性具有较好的鲁棒性，从控制模块采用反演滑模控制算法，实现快速响应，可处理遥操作系统中的各种不确定性，对干扰不敏感。最终达到灵活快速控制，并在稳定控制的前提下提高系统的跟踪性能。

同时，本发明一种力反馈双边遥操作稳定控制方法还具有以下有益效果：

(1)、主控制模块采用H_∞控制算法，对有界时延情形下的力反馈双边遥操作系统进行稳定控制，并对系统的外界扰动等不确定性具有较好的鲁棒性；

(2)、从控制模块采用反演滑模控制算法，实现快速响应，可处理遥操作系统中的各种不确定性，对干扰不敏感。

附图说明

图1是本发明一种力反馈双边遥操作稳定控制方法原理框图；

图2是主机器人和从机器人示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种力反馈双边遥操作稳定控制方法原理框图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种力反馈双边遥操作稳定控制算法原理框图，主要包括：主传感器模块，主机器人，主控制器模块，通信通道，从机器人，从控制器模块，从传感器模块。下面结合图1对本发明的工作流程进行详细描述，具体如下：

S1、建立主机器人动力学模型

如图2所示，主机器人动力学模型为：

其中，q_m是主机器人的位置向量，

是主机器人的速度向量，

是主机器人的加速度向量，τ_m是主机器人的控制力矩，M_m(q_m)是主机器人的质量矩阵，

是主机器人的离心力和哥氏力矢量，G_m(q_m)是主机器人的重力矢量，F_h是操作者作用在主机器人上的力；

其中，

其中，m₁、m₂是主机器人两个关节的质量，g是重力加速度，l₁，l₂是主机器人两个关节的长度。

S2、设计主控制模块的H_∞控制算法

S2.1、主控制器模块是用于向从控制模块发送主机器人位置信号q_m，主控制器模块模型为：

z(t)＝Dx(t)

其中，x(t)∈Rⁿ是系统的状态向量，ω(t)∈R^q是外部扰动，z(t)∈R^p是被控输出，Rⁿ、R^p、R^q均表示空间，n,p,q表示空间维数且均为正整数，A，B，E，C，D是具有适当维数的常系数矩阵，d(t)为通信环节的时变时延；

为了方便计算，简化各变量，具体如下所示：

x(t)＝[r_m r_s e_m e_s]^T，

z(t)＝[e_m e_s]^T，

E＝[I 0]，

D＝[0 I]。

Λ_m和Λ_s均为正定的对角矩阵，e_m、e_s为同步误差信号，为了公式简单，在公式中属于简写，标准为e_m(t)、e_s(t)，e_m(t)＝q_m(t-d(t))-q_s(t)，e_s(t)＝q_s(t-d(t))-q_m(t)；

S2.2、设计主控制模块增益矩阵，使H_∞性能指标对||z(t)||₂＜γ||ω(t)||₂成立,γ为常数，即以下不等式成立：

其中，

均为正定对称矩阵，

为时延导数上界，*部分代表的矩阵元素不影响计算结果，故用*代替；

令P₁₂＝λP₁₁，λ为待选定的参数，由此可得：

将上面的两个式子代入不等式，可得：

其中，Σ＝X+X^T+λP₁₁A₂₁+λA₂₁ ^TP₁₁+Q₁₁；

记由以上不等式求得的结果：

由于

可令

可得：

综上，可得控制增益矩阵为：

K₁＝Z₁₁ ^-1a，K₂＝Z₂₂ ^-1c，K₃＝Z₁₁ ^-1d，K₄＝Z₂₂ ^-1b

S3、建立从机器人动力学模型

通过从控制模块控制从机器人的运动，如图2所示，从机器人动力学模型为：

其中，q_s是从机器人的位置向量，

是从机器人的速度向量，

是从机器人的加速度向量，τ_s是从机器人的控制力矩，M_s(q_s)是从机器人的质量矩阵，

是从机器人的离心力和哥氏力矢量，G_s(q_s)是从机器人的重力矢量，F_e是环境作用在从机器人上的力；

其中，

其中，m₁、m₂是从机器人两个关节的质量，g是重力加速度，l₁，l₂是从机器人两个关节的长度。

S4、设计从控制模块的反演控制算法

从控制器模块主要用于接收由主控制模块发送的主机器人的位置信号q_m，施加力矩τ_s控制从机器人运动，向主控制器模块反馈从机器人的速度信号q_s，从控制器模块采用的反演控制律为：

其中，k₁，k₂为大于0的常数，z₁＝q_s-q_m，

λ₁＞0，S＝k₁z₁+z₂，||S||为S的范数；

S5、在实际操作时，利用主传感器模块测量得到操作者施加给主机器人的力F_h和主机器人的位置q_m；利用从传感器模块测量得到环境施加在从机器人上的力F_e和从机器人的位置q_s；利用前向通信通道传输由主控制器模块发送的主机器人的位置向量q_m给从控制器模块，同时利用反向通信通道传输由从控制器模块反馈的从机器人的位置向量q_s给主控制器模块；

S6、主、从控制模块按照各自的控制算法实现对主、从机器人的双边遥操作稳定控制。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种力反馈双边遥操作稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、建立主机器人动力学模型

主机器人动力学模型为：

其中，q_m是主机器人的位置向量，

是主机器人的速度向量，

是主机器人的加速度向量，τ_m是主机器人的控制力矩，M_m(q_m)是主机器人的质量矩阵，

是主机器人的离心力和哥氏力矢量，G_m(q_m)是主机器人的重力矢量，F_h是操作者作用在主机器人上的力；

(2)、设计主控制模块的H_∞控制算法

(2.1)、建立主控制器模块模型：

z(t)＝Dx(t)

其中，x(t)∈Rⁿ是系统的状态向量，ω(t)∈R^q是外部扰动，z(t)∈R^p是被控输出，Rⁿ、R^p、R^q均表示空间，n,p,q表示空间维数且均为正整数，A，B，E，C，D是具有适当维数的常系数矩阵，d(t)为通信环节的时变时延；

(2.2)、设计主控制模块增益矩阵，使H_∞性能指标对||z(t)||₂＜γ||ω(t)||₂成立，γ为常数；

(3)、建立从机器人动力学模型

从机器人动力学模型为：

其中，q_s是从机器人的位置向量，

是从机器人的速度向量，

是从机器人的加速度向量，τ_s是从机器人的控制力矩，M_s(q_s)是从机器人的质量矩阵，

是从机器人的离心力和哥氏力矢量，G_s(q_s)是从机器人的重力矢量，F_e是环境作用在从机器人上的力；

(4)、设计从控制模块的反演控制算法

从控制器模块采用的反演控制律为：

其中，k₁，k₂为大于0的常数，z₁＝q_s-q_m，

λ₁＞0，S＝k₁z₁+z₂，||S||为S的范数；

(5)、在实际操作时，利用主传感器模块测量得到操作者施加给主机器人的力F_h和主机器人的位置q_m；利用从传感器模块测量得到环境施加在从机器人上的力F_e和从机器人的位置q_s；利用前向通信通道传输由主控制器模块发送的主机器人的位置向量q_m给从控制器模块，同时利用反向通信通道传输由从控制器模块反馈的从机器人的位置向量q_s给主控制器模块；

(6)、主、从控制模块按照各自的控制算法实现对主、从机器人的双边遥操作稳定控制。

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