一種基于雙通道通訊的遙操作雙邊控制方法
【專利說明】-種基于雙通道通巧的遙操作雙邊控制方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于遙操作技術領域，設及雙邊控制和阻抗控制技術，具體是一種基于雙 通道通訊的遙操作雙邊控制方法。 【【背景技術】】
[0002] 在醫(yī)療領域中，通過遙操作技術可W使醫(yī)務人員跨越距離上的限制，為病人排除 疑難雜癥甚至是進行手術；在危險環(huán)境下的救援中，遙操作可W避免消防員直接參與危險 環(huán)境下的救援，從而保證消防員的生命安全，同時也有助于彌補消防機器人智能程度不夠 W及難W應付復雜非結構化環(huán)境的自主救援問題。遙操作過程對操作者提出了很高要求， 而其操作過程中的穩(wěn)定性和透明性尤其受到研究者的關注。典型的空間遙操作系統(tǒng)一般由 五個部分組成，包括操作者也即主手，主手操作設備，通訊通道，從手，和從手所處環(huán)境。遙 操作控制系統(tǒng)設計的主要目的就是使系統(tǒng)具有較好的透明性和穩(wěn)定性。目前被廣泛應用在 遙操作系統(tǒng)控制器設計和分析的是四通道控制結構，即在主手和從手之間同時傳遞位置和 力信號，運種結構雖然可W使系統(tǒng)獲得較好的透明性，但系統(tǒng)設計較為復雜。此外，在四通 道的控制系統(tǒng)中假設系統(tǒng)為理想的線性系統(tǒng)，然而在實際遙操作過程中，主手和從手之間 通常具有復雜的禪合非線性動力學，假設不一定處在合理范圍之內，從而給系統(tǒng)設計造成 一定困難。 【
【發(fā)明內容】
】
[0003] 本發(fā)明針對已有的四通道遙操作控制系統(tǒng)的不足，應用阻抗控制技術，提出一種 基于雙通道通訊的遙操作雙邊控制方法，該方法采用雙通道通訊方式，將運動期望的位置 信息由主手傳給從手，而從手將與環(huán)境交互的力信息反饋給主手和操作者。此外，系統(tǒng)設計 中還考慮了操作環(huán)境的參數(shù)不確定性和環(huán)境干擾。相比現(xiàn)有四通道遙操作控制系統(tǒng)具有更 好的魯邦性，可W更好地適應環(huán)境參數(shù)的不確定性，同時具有更高的抗干擾能力。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用W下技術方案予W實現(xiàn)： 陽〇化]一種基于雙通道通訊的遙操作雙邊控制方法，包括W下步驟：
[0006] 1)建立主手和從手的動力學模型
[0007] 只考慮末端執(zhí)行器做平動運動，機械臂動力學模型在笛卡爾空間坐標系中表示為
[0008]
(1 )
[0009] 其中，Xer3表示機械臂末端位置，qeR"表示機械臂各關節(jié)角，Dx(q)eR3X3表 示機械臂慣量矩陣，包括機械臂所受科里奧力、離屯、力和重力，R3表示機器人 末端對環(huán)境作用力，F(xiàn)duteR3表示作用在執(zhí)行器上面的外部干擾力；FeR3是控制輸入，根 據(jù)阻抗/直接聯(lián)合控制方法，阻抗控制律為：
[0010]
(2)
[0011] 其中，Κρ和Κ1是對角矩陣；4和身r分別是Dx和ΗX的估計值；且有：
[0012]
(3)
[0013] 假設環(huán)境為一線性質量彈黃阻尼系統(tǒng)；在有約束運動條件下，參考軌跡Xf可寫 為：
[0016] 其中，Χ。。^R3表示研究對象在環(huán)境中的初始位置，ΚρΕ表示環(huán)境剛度系數(shù)矩 陣，為對角矩陣，F(xiàn)dGR3表示期望力，M^Bt，KteR3是所研究對象的慣量，阻尼，剛度系數(shù)矩 陣；將研究對象的阻抗定義為：
[0017]
(6) 陽0化]且有：
[0019]Ex=Xf-X(7) 陽020] Ef=Fd-Fe做
[0021] 根據(jù)（1)式，忽略系統(tǒng)外部干擾力，分別建立主手和從手的動力學模型
[0024] 其中，Dym和Dys分別表不主手和從手的慣量矩陣，Ηym和Ηys分別表不主手和從手對 應于（1)式的Hx，Xm和Xs分別表示主手和從手的位置，F(xiàn)h和Fe分別表示操作者施加在主手 上的力、從手施加給環(huán)境的力，F(xiàn)m。和FW分別表示主手和從手的控制輸入量；
[00巧]2)建立從手環(huán)境和操作者模型
[00%] 環(huán)境模型用線性定常質量彈黃阻尼系統(tǒng)模型表示 W27]Fe(S) = (MeS2+BeS+KeHXs(S)-Xe"(S))(ll)
[00測 1。，氏和1(。￡ 是對角矩陣，分別表示環(huán)境模型的質量，阻尼，剛度系數(shù)矩陣；將 操作者也等效為線性定常質量彈黃阻尼系統(tǒng)，其動力學模型在頻域內可W表示為： 陽029>]
(12)
[0030] 運里，Vh表示操作者操作主手運動的速度，琢是操作者施加給主手的力；Zh是操 作者的阻抗矩陣，定義為：
[0031]
(13) 陽0巧Mh，Bh和KheR分別代表操作者的質量，阻尼和剛度系數(shù)矩陣；
[0033] 3)分別在主手端和從手端引入控制器
[0034] 在有約束運動的條件下，用Fed表示從手作用在環(huán)境上的期望力，則有Fed=Fh;根 據(jù)（2)式，在從手端引入如下控制器 陽03引
（14)
[0036]其中：
[0041] W上各式中下標s表示從手的參數(shù)項；
[0042] 對于主手端，用Xmd表示主手的期望位置，則有Xmd=Xs，使用一種基于位置誤差的 的控制器補償控制力：
[0046] 下標m代表主手，對角矩陣Kvm，Kpm和Kim是主手的控制參數(shù)；
[0047] 4)得出系統(tǒng)閉環(huán)動力學模型 W48] 通過比較式（9)和式（19)，式（10)和式（14)，獲得系統(tǒng)閉環(huán)動力學方程；
[0049] 對于主手端有：
[0053] 對式（21)和式（22)分別取拉普拉斯變換，則主手端和從手端的閉環(huán)動力學在頻 域分別表示為：
[0056] 小寫字母表示式（21)和式（22)中對應矩陣的分量形式。
[0057] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0058] 本發(fā)明提出的控制方法不必使用四個通訊通道來同時在主手和從手端傳遞位置 和力信息，而只需采用雙通道通訊即可滿足控制系統(tǒng)穩(wěn)定控制的要求，從而達到簡化控制 系統(tǒng)設計方法，節(jié)約遙操作過程中寶貴的通訊帶寬等成本；另外，本發(fā)明在控制系統(tǒng)中通過 引入阻抗/聯(lián)合控制方法，可W發(fā)揮該控制方法對環(huán)境參數(shù)不確定的適應性優(yōu)勢，從而使 雙邊控制系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力。 【【附圖說明】】
[0059] 圖1是模擬表示主手和從手的滑桿機械結構圖；
[0060] 圖2是雙邊控制系統(tǒng)仿真模塊圖。 【【具體實施方式】】
[0061] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。
[0062] 本發(fā)明中使用到的阻抗/直接聯(lián)合控制方法。
[0063] 只考慮末端執(zhí)行器做平動運動，一般的機械臂動力學模型在笛卡爾空間坐標系中 可W表示為
[0064]
(1 ) 陽0化]其中，Xer3表示機械臂末端位置，qeRn表示機械臂各關節(jié)角，Dx(q)eR3X3表 示機械臂慣量矩陣，(如如包括機械臂所受科里奧力、離屯、力和重力，R3表示機器人 末端對環(huán)境作用力，F(xiàn)duteR3表示作用在執(zhí)行器上面