一種基于主端力緩沖的波變量四通道雙邊控制方法
【專利說明】一種基于主端力緩沖的波變量四通道雙邊控制方法 【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于主端力緩沖的波變量四通道雙邊 控制方法。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 遙操作雙邊控制系統(tǒng)的操作性能主要包括透明性和跟蹤性，其中透明性考察操作 者感受從端環(huán)境的能力，跟蹤性衡量從手跟隨主手運動的能力。由于雙邊控制系統(tǒng)中引入 了通信時延，導(dǎo)致系統(tǒng)對從端的控制始終滯后于主端，如果不采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ň蜔o法 實現(xiàn)在無時延時對主從端同步控制的效果，主從端的相對位置誤差也會一直存在，這將直 接影響系統(tǒng)的透明性和跟蹤性。因此雙邊控制系統(tǒng)的操作性能僅僅考慮透明性和跟蹤性是 不夠的，還應(yīng)考慮系統(tǒng)主從端的同步性。同步性用來度量遙操作系統(tǒng)中從端實時跟隨主端 運動的能力，良好的同步性能夠提升系統(tǒng)的透明性和跟蹤性，降低通信時延對系統(tǒng)性能的 影響。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0003] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提高遙操作雙邊控制系統(tǒng)的同步性，提出一種基于 主端力緩沖的波變量四通道雙邊控制方法。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：
[0005] 第一步:建立雙邊控制系統(tǒng)在有時延下的動力學(xué)模型
[0006] 第二步:提出雙邊控制系統(tǒng)的同步性概念并定義其定量度量函數(shù)
[0007] 第三步:設(shè)計主端控制器
[0008] 通過對波變量四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)的主端控制器添加力緩沖單元和補(bǔ)償單元來 實現(xiàn)主從端同步控制，消除波變換方法對主端控制器超前作用的影響。
[0009] 第四步:分析雙邊控制系統(tǒng)的主從端同步性
[0010]在本發(fā)明提出的同步性指標(biāo)基礎(chǔ)上對所設(shè)計的控制系統(tǒng)進(jìn)行主從端同步性分析。
[0011] 進(jìn)一步的，第一步中建立雙邊控制系統(tǒng)在有時延下的動力學(xué)模型的具體方法是：
[0012] 考慮單自由度主從端結(jié)構(gòu)，并等效為質(zhì)量-阻尼系統(tǒng)，其動力學(xué)模型如下所示
[0013]
[0014]
[0015] 上式中，Xi為末端位置，mi為質(zhì)量，bi為黏性系數(shù)，Ui為控制輸入，i=m，s分別代表 主端和從端，fh為操作者施加給主手的力，為從端所受環(huán)境的作用力。
[0016] 考慮到時延的影響，假設(shè)前向通道和反向通道的時延都為T，并根據(jù)遙操作系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)和任務(wù)的不同，添加位置和力的比例縮放因素，則有
[0017] Xsd(t)=kpXm(t-T) (3)
[0018] fmd(t)=kffs(t-T) (4)
[0019] 式中，kP、kf分別為位置和力的縮放因子，Xsd為從手跟隨的目標(biāo)位置，f?d為主端接 收到的反饋力， Xm(t_T)為經(jīng)過時延T之后傳遞到從端的主手位置，fs(t-T)為經(jīng)過時延T之后 傳遞到主端的從端反饋力。
[0020] 進(jìn)一步的，第二步中雙邊控制系統(tǒng)的定量度量函數(shù)定義如下：
[0021] 同步性定義:雙邊控制系統(tǒng)的同步性是指從手跟隨當(dāng)前時刻主手運動的能力。 [0022]定時延下力反饋雙邊控制系統(tǒng)同步性的定量度量函數(shù)：
[0023]
[0024] k代表雙邊控制系統(tǒng)的同步性指標(biāo)。
[0025] Vm(t)代表主手t時刻的速度。
[0026] Vm(t-T)代表經(jīng)過時延T之后傳遞到從端的主手t時刻的速度。
[0027] Vs (t)代表從手t時刻的速度。
[0028] T代表主端到從端的通信時延。
[0029] Fe(t)代表t時刻環(huán)境對從手的作用力。
[0030] k的值決定雙邊控制系統(tǒng)的同步性，其取值范圍是0 < k < 1。在此范圍內(nèi)，k的值越 大系統(tǒng)的同步性能越好，k的值越小系統(tǒng)的同步性能越差。當(dāng)k = 1時表明主從端的運動是完 全同步的，即Vs(t)=Vm(t);當(dāng)k = 0時表明主從端的運動是完全不同步的，從端的運動依舊 要比主端的運動延遲時間T，即Vs(t)=Vm(t_T)。
[0031 ]進(jìn)一步的，第三步中主端控制器的設(shè)計方法如下：
[0032]在波變量四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)的主端控制器中添加力緩沖單元和補(bǔ)償單元來實 現(xiàn)主從端同步控制，消除波變換方法對主端控制器超前作用的影響，通信時延波變換環(huán)節(jié) 以及從端控制器沒有變化。
[0033] 主端控制器混合矩陣模型為
[0034]
[0035] 由豐端棹制器樽型得傳遞矩陣Hm為
[0036]
[0037] Fmd代表主端的控制輸入力。
[0038] Fi代表主端控制器的反饋輸入信號。
[0039] 1代表主手的移動速度。
[0040] W代表主端波變換的控制輸入信號。
[0041 ] T代表通信時延。
[0042] Zm代表主手的阻抗，Zm = MmS，其中Mm為主手的質(zhì)量。
[0043] Cm代表主手的PD控制器，Cm = Bm+Km/s，其中Bm為主手的黏性系數(shù)，Km為主手的剛度 系數(shù)。
[0044] &和(：3分別為主端到從端的速度通道和力通道控制參數(shù)。
[0045] bw代表波變換的中間波阻抗。
[0046] 進(jìn)一步的，第四步中雙邊控制系統(tǒng)的同步性分析方法如下：
[0047] 主從端的位置同步性分析，其本質(zhì)上也涵蓋了對雙邊控制系統(tǒng)跟蹤性能優(yōu)劣的評 判，理想的控制系統(tǒng)要能實現(xiàn)如下式的控制目標(biāo)
[0048] xm(t)-Xs(t) =0 (8)
[0049] 該式表明主端和從端的位置始終是保持一致的，但在時延遙操作雙邊控制系統(tǒng) 中，由于通信時延的存在，從端的位置變化始終滯后于主端的位置變化，即主從端的位置變 化不是同步進(jìn)行的，操作者也就無法像控制主端一樣實時地控制從端的運動，時延下的主 從端位置關(guān)系如下式所示
[0050] Xm(t-T)=xs(t) (9)
[0051] 本發(fā)明提出的基于主端力緩沖的波變量四通道雙邊控制方法，就是為了在保證遙 操作雙邊控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下提升主從端的位置同步性能，控制系統(tǒng)的混合矩陣模型為
[0052]
(10)
[0053] Fe代表從手與環(huán)境之間的作用力。
[0054] Vs代表從手的移動速度。
[0055] hii、hi2、h2i和h22分別代表傳遞矩陣的四個參數(shù)。
[0056] 由式(10)可知主從端的位置關(guān)系如下式所示
[0057] Vs = h2lFmd+h22Vm (11)
[0058] 由控制系統(tǒng)傳遞矩陣和主端控制器傳遞矩陣可推導(dǎo)出主從端的位置關(guān)系為
[0059]
(12)
[0060] K*代表1的時延項系數(shù)。
[0061 ] C4和&分別為從端到主端的速度通道和力通道控制參數(shù)。
[0062] C5代表從端控制器的力調(diào)節(jié)系數(shù)。
[0063] Zs代表從手的阻抗，Zs=MsS，其中Ms為從手的質(zhì)量。
[0064] Cs代表從手的ro控制器，Cs = Bs+Ks/s，其中Bs為從手的黏性系數(shù)，Ks為從手的剛度 系數(shù)。
[0065]為了保證系統(tǒng)具有良好的操作性能，根據(jù)四通道控制結(jié)構(gòu)理想透明性的條件，令 C4=-(Zm+Cm)，& = Zs+Cs，C2和C3為標(biāo)量增益。
[0066] 式（12)表明主從端的位置變化關(guān)系中包含了常數(shù)項，主從端位置的同步控制能夠 實現(xiàn)，且同步性能指標(biāo)k的值為
[0067]
[0068]式（13)表明系統(tǒng)的同步性能受主從端控制器模型、中間波阻抗以及控制參數(shù)C2、C3 和(：5的影響，因此對于給定的系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)上述參數(shù)來改變同步性能。
[0069] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0070] 提出了定時延條件下力反饋雙邊控制系統(tǒng)同步性的定量度量函數(shù)，使得對雙邊控 制系統(tǒng)同步性的評價有了具體的數(shù)值指標(biāo);在波變量四通道雙邊控制結(jié)構(gòu)的主端控制器中 加入了力緩沖單元和補(bǔ)償單元，提高了雙邊控制系統(tǒng)的同步性;通過對同步性指標(biāo)的分析 得到了波變量四通道雙邊控制系統(tǒng)中同步性能的影響因素。 【【附圖說明】】
[0071] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附 圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域 普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附 圖。
[0072] 圖1是本發(fā)明實施例所提出的基于主端力緩沖的波變量四通道雙邊控制方法的流 程示意圖
[0073] 圖2表示基于