專利名稱：基于真實(shí)力反饋的四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種四通道雙邊控制方法，將其應(yīng)用于從端環(huán)境未知且需知主從カ信息的遙操作系統(tǒng)中。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主從端真實(shí)カ的傳遞與反饋，并利用位置誤差、速度擾動(dòng)進(jìn)行力校正，増加系統(tǒng)精確性。屬于遙操作控制技術(shù)領(lǐng)域。
2.
背景技術(shù)：
(I)研究現(xiàn)狀目前，遙操作技術(shù)已經(jīng)深入到很多領(lǐng)域，如航天領(lǐng)域、深海作業(yè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療等，具有廣泛的應(yīng)用前景。カ反饋雙邊遙操作系統(tǒng)，可使操作者產(chǎn)生臨場(chǎng)感。針對(duì)雙邊遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，目前已有很多研究方法，其中基于現(xiàn)代控制理論的控制策略已經(jīng)成為雙邊遙操作控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 最初的雙邊控制一般采用雙通道結(jié)構(gòu)，將控制回路等效成電路網(wǎng)絡(luò)模式。主從端的力和速度分別代表電路網(wǎng)絡(luò)中的電壓和電流，從而形成雙通道結(jié)構(gòu)。雙通道雙邊遙操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖I所示。雙通道結(jié)構(gòu)能完成基本的遙操作任務(wù)，但是不利于高精度控制。為此，基于力和速度均能進(jìn)行雙邊傳遞的思想，文獻(xiàn)“Stability and Transparency in BilateralTeleoperation，，(Dale A. Lawrence. IEEE Transactions on Robotics and Automation,1993,9(5) =624-637)中，Lawrence提出了四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。后來(lái)的許多研究者，都是在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的修改與完善。其中文獻(xiàn)“Transparencyin Time-Delayed bystem and the Effect of Local Force Feedoack lor TransparentTeleoperation，，(KEYVAM H Z, SEPTIMIU E S. IEEE Transactions on Robotics andAutomation, 2002,18 (I) :108-114)中，Keyvan 和 Septimiu 兩人針對(duì)此結(jié)構(gòu)增加了局部力反饋控制器，提高了系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)“無(wú)環(huán)境力反饋的四通道雙邊控制”(王裕基，孫富春，劉華平，閔海波.控制理論與應(yīng)用，2011,28(3) :315-320)對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了無(wú)環(huán)境力反饋的四通道結(jié)構(gòu)，避免了直接對(duì)從端環(huán)境接觸力的測(cè)量。這種利用阻抗控制研究的四通道結(jié)構(gòu)具有一定的局限性I)對(duì)于不同的作業(yè)環(huán)境，很難對(duì)從端環(huán)境阻抗進(jìn)行精確建模；2)只將主手的位置或速度傳遞給從端機(jī)械臂，未考慮真實(shí)人手力作用效果；3)利用等價(jià)模型估算的從端環(huán)境カ是虛擬力，不能完全體現(xiàn)真實(shí)力效應(yīng)。將操作者施加的カ傳遞給從端機(jī)械臂，并將從端機(jī)械臂與環(huán)境的接觸力反饋給操作者，直接體現(xiàn)真實(shí)的力傳輸而非間接カ傳輸。針對(duì)這一思路，本發(fā)明以線性時(shí)不變模型作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了體現(xiàn)真實(shí)主從カ并根據(jù)主從位置偏差進(jìn)行カ校正的KBG四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)。對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了從端自由運(yùn)動(dòng)和與環(huán)境接觸兩種情況下的性能分析，參考無(wú)源雙邊控制策略，提出了大時(shí)延情況下穩(wěn)定的系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。并搭建遙操作演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)所提出結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)證。(2)遙操作系統(tǒng)建模
時(shí)滯遙操作控制系統(tǒng)主從端模型的狀態(tài)空間表達(dá)式分別如下主手
權(quán)利要求
1.一種真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)，其特征在于包括以下步驟 1)定義真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)示意圖； 2)設(shè)計(jì)真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)框圖，明確系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系； 3)設(shè)計(jì)真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)主從端控制器； 4)采用主從端真實(shí)力與主從端機(jī)械臂的位置、速度混合組成的結(jié)構(gòu)完成主從端控制器的實(shí)現(xiàn)。
2.如權(quán)利要求I所述的真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)，其特征在于 所述真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義如下 操作者施加力給主端機(jī)械臂，帶動(dòng)主端機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)； 主端機(jī)械臂的位置通過(guò)前向時(shí)延傳遞到從端機(jī)械臂，使從端機(jī)械臂跟隨主端機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)； 操作者施加的力經(jīng)過(guò)時(shí)延和主從位置偏差、從端速度擾動(dòng)共同構(gòu)成了從端控制器的設(shè)計(jì)； 環(huán)境施加給從端機(jī)械臂的力經(jīng)過(guò)反饋環(huán)節(jié)時(shí)延傳遞回主端； 主從位置偏差、主端速度擾動(dòng)信息與經(jīng)過(guò)時(shí)延的從端環(huán)境力共同構(gòu)成了主端控制器的設(shè)計(jì)。
實(shí)現(xiàn)主從端真實(shí)力的雙向傳遞。
3.如權(quán)利要求I所述的真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)，其特征在于 所述真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)如下
4.如權(quán)利要求I所述的真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)，其特征在于 所述系統(tǒng)包括操作者、主端機(jī)械臂、延時(shí)環(huán)節(jié)、從端機(jī)械臂、從端環(huán)境。
5.如權(quán)利要求I所述的真實(shí)力反饋四通道雙邊遙操作系統(tǒng)，其特征在于 所述系統(tǒng)性能包括系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)跟蹤性、系統(tǒng)透明性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四通道雙邊控制方法，將其應(yīng)用于從端環(huán)境未知且需知主從力信息的遙操作系統(tǒng)中。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)主從端真實(shí)力的傳遞與反饋，并利用位置誤差、速度擾動(dòng)進(jìn)行力校正，增加系統(tǒng)精確性。屬于遙操作控制技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及大時(shí)延遙操作系統(tǒng)中的控制方法，主端操作者施加的力直接傳遞給從端機(jī)械臂，并將從端機(jī)械臂與環(huán)境的接觸力反饋給操作者，提出了一種對(duì)主從端的真實(shí)力進(jìn)行雙向傳遞的四通道控制結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用主從位置誤差進(jìn)行力校正。利用李亞普諾夫函數(shù)及無(wú)源理論，全面分析了在自由運(yùn)動(dòng)和接觸運(yùn)動(dòng)中系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。本發(fā)明無(wú)需對(duì)從端環(huán)境進(jìn)行預(yù)先建模，適用于未知且非結(jié)構(gòu)化的從端環(huán)境，且能滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性、透明性和跟蹤性要求。
文檔編號(hào)B25J9/16GK102848391SQ201210349978
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者宋荊洲, 張曉鋒, 賈慶軒, 孫漢旭, 高欣 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)