具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及機(jī)器人遙操作系統(tǒng)控制技術(shù)。本發(fā)明針對非線性遙操作系統(tǒng)中時變時延產(chǎn)生的主從機(jī)器人位置信號和力信號傳輸延遲導(dǎo)致主從機(jī)器人之間的位置誤差和力誤差的問題，公開了一種具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)的位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的跟蹤性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明的技術(shù)方案是，具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，包括操作者模塊、主機(jī)器人控制器、主機(jī)器人、通信通道、從機(jī)器人控制器、從機(jī)器人和環(huán)境模塊。本發(fā)明能夠有效解決非線性遙操作系統(tǒng)中時變時延產(chǎn)生的主從機(jī)器人位置信號和力信號傳輸延遲問題，提高系統(tǒng)的位置和力跟蹤準(zhǔn)確性。
【專利說明】具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人遙操作系統(tǒng)控制技術(shù)，特別涉及具有通信時延的遙操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]遙操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于深空、深海探索，微創(chuàng)手術(shù)，核輻射物管理、遠(yuǎn)程康復(fù)治療等各種人類難以直接到達(dá)的環(huán)境模塊。位置和力跟蹤是遙操作系統(tǒng)最重要的性能要求，即要求從機(jī)器人必須能夠準(zhǔn)確地跟蹤主機(jī)器人的位置，與此同時操作者模塊可以準(zhǔn)確地得到從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力的反饋。
[0003]由于主機(jī)器人和從機(jī)器人的物理位置之間通常都有一定距離，因此他們之間的通信通道中不可避免地存在著時延。通信時延對遙操作系統(tǒng)有很大的負(fù)面影響，它會降低系統(tǒng)的位置和力跟蹤的準(zhǔn)確性，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此需要采用有效的控制方法，對遙操作系統(tǒng)中的時延問題加以補(bǔ)償。
[0004]文獻(xiàn)[“Transparency in Time-Delayed Systems and the Effect of LocalForce Feedback for Transparent Teleoperation，，(H.Z.Keyvan and E.S.Septimiu, IEEETransaction on Robotics and Automation, 2002, 18 (I): 108-114)]首次對具有時延的遙操作系統(tǒng)的位置和力跟蹤性能進(jìn)行了研究，但是針對的是線性遙操作系統(tǒng)。文獻(xiàn)《基于真實力反饋的四通道雙邊遙操作控制系統(tǒng)》(中國發(fā)明專利申請?zhí)?201210349978.X)中針對具有時延的非線性遙操作系統(tǒng)設(shè)計了一種控制方法以滿足系統(tǒng)的位置和力跟蹤性能，但是針對的是常數(shù)時延。文獻(xiàn)[“Synchronization of bilateral teleoperators with timedelay” (Chopara N.Chopra, M.ff.Spong and R.Lozano, Automatica, 2008, 44, 2142 - 2148)]針對具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)提出了相應(yīng)的控制方案，但是只考慮了系統(tǒng)的位置跟蹤性能，不能確保系統(tǒng)的力跟蹤性能。在現(xiàn)實應(yīng)用中，所設(shè)計出的遙操作系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠適用于非線性遙操作系統(tǒng)，能夠?qū)ο到y(tǒng)通信通道中時變的時延加以補(bǔ)償，而且能夠同時確保系統(tǒng)的位置跟蹤性能和力跟蹤性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是針對非線性遙操作系統(tǒng)中時變時延產(chǎn)生的主從機(jī)器人位置信號和力信號傳輸延遲導(dǎo)致主從機(jī)器人之間的位置誤差和力誤差的問題，提供一種具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)的位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的跟蹤性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，包括操作者模塊、主機(jī)器人控制器、主機(jī)器人、通信通道、從機(jī)器人控制器、從機(jī)器人和環(huán)境模塊；
[0007]所述通信通道的前向時變時延為Tm(t),反向時變時延為Ts(t);主機(jī)器人的位置Qffl(t)、主機(jī)器人的速度⑴、操作者模塊與主機(jī)器人的交互力τ h(t)，通過通信通道分別變?yōu)閝m(t_Tm(t))、--,,Α-C(O)、xh(t-Tffl(t))傳輸給從機(jī)器人控制器；從機(jī)器人的位置qs(t)、從機(jī)器人的速度屯(?)、從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力τ e(t)，通過通信通道分別變Sqs(t_Ts(t))、q (,-'/:(,))、xh(t-Ts(t))反饋給主機(jī)器人控制器；
[0008]所述主機(jī)器人控制器的輸入包括主機(jī)器人的位置qm(t)、主機(jī)器人的速度<--,(0、操作者模塊與主機(jī)器人的交互力τ h(t)、從機(jī)器人通過通信通道反饋的位置qs(t_Ts(t))、反饋的速度、.(/-CW)、反饋的從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力\(t_Ts(t));主機(jī)器人控制器輸出的控制力Tm(t)；
[0009]所述從機(jī)器人控制器的輸入包括從機(jī)器人的位置qs(t)、從機(jī)器人的速度<1⑴、從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力τ εα)、主機(jī)器人通過通信通道傳輸?shù)奈恢胵m(t-Tm(t))、傳輸?shù)乃俣?(/-7::,,(/))、傳輸?shù)牟僮髡吣K與主機(jī)器人的交互力Th(t_Tm(t));從機(jī)器人控制器輸出的控制力Ts(t)；
[0010]所述主機(jī)器人控制器輸出的控制力τ m(t)滿足關(guān)系式:
【權(quán)利要求】
1.具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，包括操作者模塊、主機(jī)器人控制器、主機(jī)器人、通信通道、從機(jī)器人控制器、從機(jī)器人和環(huán)境模塊； 所述通信通道的前向時變時延為Tm(t)，反向時變時延為Ts(t);主機(jī)器人的位置qm(t)、主機(jī)器人的速度I⑴、操作者與主機(jī)器人的交互力h(t)，通過通信通道分別變Sqm(t-Tm(t))、4?(〖-7；(/))、xh(t-Tffl(t))傳輸給從機(jī)器人控制器；從機(jī)器人的位置qs(t)、從機(jī)器人的速度?,(?)、從機(jī)器人與環(huán)境的交互力τ e(t)，通過通信通道分別變?yōu)閝s(t-Ts(t))、^G —乃⑴)、xh(t-Ts(t))反饋給主機(jī)器人控制器； 所述主機(jī)器人控制器的輸入包括主機(jī)器人的位置qm(t)、主機(jī)器人的速度ιω、操作者與主機(jī)器人的交互力Th(t)、從機(jī)器人通過通信通道反饋的位置qs(t_Ts(t))、反饋的速度7:.(/))、反饋的從機(jī)器人與環(huán)境的交互力Te(t_Ts(t));主機(jī)器人控制器輸出的控制力 T111U)； 所述從機(jī)器人控制器的輸入包括從機(jī)器人的位置qs(t)、從機(jī)器人的速度<1⑴、從機(jī)器人與環(huán)境的交互力τ e(t)、主機(jī)器人通過通信通道傳輸?shù)奈恢胵m(t_Tm(t))、傳輸?shù)乃俣華nXt - Τ,Λ1 ))、傳輸?shù)牟僮髡吲c主機(jī)器人的交互力τ h(t-Tm(t));從機(jī)器人控制器輸出的控制力τ s(t)； 所述主機(jī)器人控制器輸出的控制力τπα)滿足關(guān)系式: τ?,(0 = PJq,,, (t) — q' (t — T ⑴))+ Dm (q?,(i) — α、(Oqv (t — Ts (/)))
+Κ?Α,? ⑴ + F,n (τ,.,⑴-(t - Ts ⑴))+ τ,.,⑴ 其中，Pm > O為主機(jī)器人的位置誤差系數(shù)；Dm > O為主機(jī)器人的速度誤差系數(shù)；Km > O為主機(jī)器人的速度系數(shù)；Fm > O為主機(jī)器人的力誤差系數(shù)；a s⑴是與Ts⑴的變化率有關(guān)的一個可變增益； 所述從機(jī)器人控制器輸出的控制力ts (t)滿足關(guān)系式:
T, (t) = P (q,⑴ -TJ O)) + ⑴-am (r)q,? (t - TJt))) +d ⑴ + F'^T,-TJt)))+ Tr(t) 其中，Ps > 0為從機(jī)器人的位置誤差系數(shù)；DS > O為從機(jī)器人的速度誤差系數(shù)，且Ds=Dm ；Ks > O為從機(jī)器人的速度系數(shù)；FS > O為從機(jī)器人的力誤差系數(shù)；a m(t)是與Tm(t)的變化率有關(guān)的一個可變增益。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有時變時延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于:通信通道的反向時變時延Ts(t)，其變化率f⑴滿足關(guān)系式1⑴，通信通道的前向時變時延Tm⑴，其變化率之⑴滿足關(guān)系式:<(0 = 1-之(O。
【文檔編號】B25J3/00GK103831831SQ201410100599
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】劉霞, 董秀成 申請人:西華大學(xué)