本發(fā)明涉及遙操作機(jī)器人外力觀測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于自適應(yīng)雙層滑模的遙操作系統(tǒng)快速力估計(jì)方法。

背景技術(shù)：

遙操作系統(tǒng)由一名操作者操作一臺(tái)本地機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)程機(jī)器人完成指定工作任務(wù)。遙操作技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)，深海探索，遠(yuǎn)程醫(yī)療和極限環(huán)境中。在遙操作系統(tǒng)應(yīng)用中如果遠(yuǎn)程機(jī)器人能將外界環(huán)境的觸覺信息反饋到主機(jī)器人端，操作者的臨場感將得到極大的改善。臨場感技術(shù)是人機(jī)交互遙操作的核心。具有臨場感的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是主從是遙控機(jī)器人的一種發(fā)展，側(cè)重于遠(yuǎn)地環(huán)境在操作者周圍的再現(xiàn)，這需要力傳感器來實(shí)現(xiàn)。一方面，在實(shí)際應(yīng)用中，力傳感器存在慣性力的影響嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)頻率低、維間干擾較大以及體積大等問題，而且在某些惡劣環(huán)境下不允許傳感器的使用。另一方面，考慮節(jié)省傳感器本身昂貴成本費(fèi)用的問題。因此迫切需要提出新的快速、準(zhǔn)確的力估計(jì)方法，從而代替遙操作機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)力傳感器的需求。

針對(duì)系統(tǒng)的不確定和外界干擾，滑?？刂铺峁┝撕芎玫目刂菩Ч?。利用自適應(yīng)雙層超螺旋有限時(shí)間滑模的方法設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器能很好的觀測出系統(tǒng)的狀態(tài)和外界干擾。自適應(yīng)滑模參數(shù)的方法能隨著外界干擾的大小而調(diào)整滑模參數(shù)。但是基于傳統(tǒng)的滑模的狀態(tài)觀測器會(huì)因?yàn)槲粗耐饨绺蓴_而設(shè)置較大的滑模參數(shù)，其觀測信號(hào)的準(zhǔn)確度會(huì)受到很大影響。而且現(xiàn)有的大部分觀測器設(shè)計(jì)方案依賴于遙操作系統(tǒng)機(jī)器人的速度信號(hào)即假設(shè)系統(tǒng)速度已知，增加了設(shè)備的成本。在實(shí)際中，通常情況下往往位置信號(hào)容易測得，而速度和外力的信號(hào)不易測得。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種能夠獲得準(zhǔn)確速度和外力信號(hào)的基于自適應(yīng)雙層滑模的遙操作系統(tǒng)快速力估計(jì)方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明所述方法步驟如下：

s1、選取一個(gè)由兩個(gè)3自由度機(jī)器人構(gòu)成的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，在無負(fù)載情況下測量機(jī)器人連桿的質(zhì)量和長度信息；根據(jù)能量平衡方程建立遙操作系統(tǒng)的任務(wù)空間下二階拉格朗日系統(tǒng)模型；

s2、利用機(jī)器人本身的位置編碼器測量機(jī)器人的位置信號(hào)，根據(jù)位置信息設(shè)計(jì)自適應(yīng)雙層超螺旋滑模全維觀測器，并由觀測到的信息得出估計(jì)的力的求法；

s3、根據(jù)不同的工作環(huán)境下不同的外力大小及外力改變情況，通過選取足夠大的觀測器參數(shù)以保證觀測器系統(tǒng)穩(wěn)定。

進(jìn)一步的，所述步驟s1中，無負(fù)載情況下機(jī)器人的連桿的質(zhì)量和長度信息可在機(jī)器人的出廠說明書中得到；根據(jù)桿的長度和質(zhì)量信息分別計(jì)算出的主機(jī)器人和從機(jī)器人的慣性矩陣、哥氏力、離心力矩陣、雅可比矩陣和重力項(xiàng)。

進(jìn)一步的，所述步驟s1中，建立遙操作系統(tǒng)的任務(wù)空間下二階拉格朗日模型由以下條件得到：

根據(jù)普遍使用的機(jī)器人系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型給出主從機(jī)器人系統(tǒng)的基于關(guān)節(jié)空間的動(dòng)力學(xué)模型：

其中，m表示主機(jī)器人，s表示從機(jī)器人；qm(t),qs(t)∈rⁿ為關(guān)節(jié)位移矩陣；為關(guān)節(jié)速度矩陣；mm(qm),ms(qs)∈r^n×n為正定的慣性矩陣；為哥氏力和離心力矩陣；gm(qm),gs(qs)∈rⁿ為重力扭矩；fh∈rⁿ和fe∈rⁿ分別為人類操作者施加的力矩和環(huán)境施加的力矩；fm∈rⁿ和fs∈rⁿ為提供的控制扭矩；

把主機(jī)器人關(guān)節(jié)的位移和速度寫成下面的形式

可以得到

相對(duì)應(yīng)，定義從機(jī)器人的位移和速度如下

可以得到

進(jìn)一步的，所述步驟s2中，利用機(jī)器人自帶的編碼器得到關(guān)節(jié)位置信息，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器，觀測器形式如下

其中，和中的第i個(gè)元素有如下形式

其中，分別為向量的第i個(gè)元素；定義的形式如下

增益αm(t),βm(t)的第i個(gè)元素有如下形式

其中，為正常數(shù)，且為向量αm0,βm0的第i個(gè)元素；

基于公式(3)，(6)，得到誤差系統(tǒng)如下

其中，

由于誤差系統(tǒng)(10)是有限時(shí)間穩(wěn)定的；所以由李普希茲條件可得

fm(t)＝-mm^-1(qm1)fh(11)

由于誤差項(xiàng)有限時(shí)間趨近于零點(diǎn)，所以可得為向量fm(t)的第i個(gè)元素；

雙層快速調(diào)節(jié)的方法建立在“等效控制”方法基礎(chǔ)上；由于高頻切換的信號(hào)很難被利用，等效輸出作為一種濾波的手段來消除高頻切換的部分；采用如下濾波形式

其中，向量其中為向量的等效輸出，變量為向量的第i個(gè)元素，變量為的導(dǎo)數(shù)，變量為向量的第i個(gè)元素，為一個(gè)極小的正常數(shù)且為向量τm的第i個(gè)元素；

雙層快速調(diào)節(jié)的方法：

首先定義一個(gè)變量δm(t)∈rⁿ，δ(t)的第i個(gè)元素的形式如下

其中，為向量am,βm0的第i個(gè)元素，為常數(shù)且滿足為一個(gè)極小的正常數(shù)且為向量εm的第i個(gè)元素；向量am,εm代表了安全范圍并且增加了穩(wěn)定的保守性；定義變量如下

其中，變量為向量lm(t)∈rⁿ的第i個(gè)元素；為正常數(shù)且為向量lm0的第i個(gè)元素；的導(dǎo)數(shù)滿足下面式子

其中，變量為向量ρm(t)的第i個(gè)元素；變量定義如下

其中，為正常數(shù)且為向量rm0的第i個(gè)元素；變量為向量rm(t)∈rⁿ的第i個(gè)元素；變量的導(dǎo)數(shù)滿足

其中，正常數(shù)為向量γm的第i個(gè)元素；

式(13)—(17)即為雙層快速調(diào)節(jié)的方法；首先，第一層保證主機(jī)器人觀測器調(diào)整參數(shù)即這是差分系統(tǒng)(10)收斂必須滿足的條件；其次，第二層使得變量改變的速率決定于時(shí)變參數(shù)的變化，提高了調(diào)整速率；

相應(yīng)的，從狀態(tài)觀測器給出如下

其中，

其中的從機(jī)器人的變量含義與上面主機(jī)器人變量含義相對(duì)應(yīng)；

基于公式(5)，(19)，得到誤差系統(tǒng)如下

其中，

從端機(jī)器人的等效輸出形式為

對(duì)應(yīng)的，從端機(jī)器人觀測器雙層快速調(diào)節(jié)方法給出如下

其中從端觀測器雙層快速調(diào)節(jié)方法的變量的定義與上述主端雙層快速調(diào)節(jié)方法的變量含義相對(duì)應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、不但能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)速度以及外力的有限時(shí)間快速、精確估計(jì)，還能有效解決抖動(dòng)問題。

2、滑模思想的引入使得觀測器對(duì)外界干擾不敏感，增強(qiáng)了閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒性能。

3、利用自適應(yīng)的思想，能更準(zhǔn)確的完成對(duì)外力的估計(jì)；而雙層的思想，則能更快的完成對(duì)外力的估計(jì)。通過選取合適的李雅普諾夫函數(shù)對(duì)觀測器的穩(wěn)定性進(jìn)行了證明。

附圖說明

圖1為遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

如圖1所示，遙操作系統(tǒng)主要由操作者、主機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)傳輸通道、從機(jī)器人和外界環(huán)境組成。操作者在本地對(duì)主機(jī)器人進(jìn)行操作，其相關(guān)運(yùn)動(dòng)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至從機(jī)器人，從機(jī)器人按照主機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)，并將與環(huán)境相接觸得到的信息反饋回主機(jī)器人。使用觀測器對(duì)主、從機(jī)器人進(jìn)行觀測，分別得到操作者和外界環(huán)境對(duì)主、從機(jī)器人施加的外力信息。

如圖2所示，本發(fā)明方法包括以下步驟：

s1.選取一個(gè)由兩個(gè)3自由度機(jī)器人構(gòu)成的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，在無負(fù)載情況下測量機(jī)器人連桿的質(zhì)量和長度信息。進(jìn)一步根據(jù)能量平衡方程建立遙操作系統(tǒng)的任務(wù)空間下二階拉格朗日系統(tǒng)模型。

s2.利用機(jī)器人本身的位置編碼器測量機(jī)器人的位置信號(hào)，根據(jù)位置信息設(shè)計(jì)自適應(yīng)雙層超螺旋滑模全維觀測器，并由觀測到的信息得出估計(jì)的力的求法；

s3.根據(jù)不同的工作環(huán)境下不同的外力大小及外力改變情況，確定具體的觀測器參數(shù)。

對(duì)于機(jī)械臂系統(tǒng)，所述步驟s1中，無負(fù)載情況下機(jī)器人連桿的質(zhì)量和長度信息可在機(jī)器人的出廠說明書中得到。根據(jù)連桿的長度和質(zhì)量信息分別計(jì)算出的主機(jī)器人和從機(jī)器人的慣性矩陣、哥氏力、離心力矩陣、雅可比矩陣和重力項(xiàng)。

建立遙操作系統(tǒng)的任務(wù)空間下二階拉格朗日系統(tǒng)模型由以下條件得到。根據(jù)普遍使用的機(jī)器人系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型給出主從機(jī)器人系統(tǒng)的基于關(guān)節(jié)空間的動(dòng)力學(xué)模型

其中，m表示主機(jī)器人，s表示從機(jī)器人；qm(t),qs(t)∈rⁿ為關(guān)節(jié)位移矩陣；為關(guān)節(jié)速度矩陣；mm(qm),ms(qs)∈r^n×n為正定的慣性矩陣；為哥氏力和離心力矩陣；gm(qm),gs(qs)∈rⁿ為重力扭矩；fh∈rⁿ和fe∈rⁿ分別為人類操作者施加的力矩和環(huán)境施加的力矩；fm∈rⁿ和fs∈rⁿ為提供的控制扭矩。

把主機(jī)器人關(guān)節(jié)的位移和速度寫成下面的形式

可以得到

相對(duì)應(yīng)，定義從機(jī)器人的位移和速度如下

可以得到

優(yōu)選地，所述步驟s2中，利用機(jī)器人自帶的編碼器得到關(guān)節(jié)位置信息，設(shè)計(jì)全維狀態(tài)觀測器，觀測器形式如下

其中，和中的第i個(gè)元素有如下形式

其中，分別為向量的第i個(gè)元素。定義的形式如下

增益αm(t),βm(t)的第i個(gè)元素有如下形式

其中，為正常數(shù)，且為向量αm0,βm0的第i個(gè)元素。lm(t)的形式在后面的內(nèi)容中給出。

基于公式(3)，(6)，得到誤差系統(tǒng)如下

其中，

由于誤差系統(tǒng)(10)是有限時(shí)間穩(wěn)定的。所以由李普希茲條件可得

fm(t)＝-mm^-1(qm1)fh(11)由于誤差項(xiàng)有限時(shí)間趨近于零點(diǎn)，所以可得為向量fm(t)的第i個(gè)元素。

雙層快速調(diào)節(jié)的方法建立在“等效控制”方法基礎(chǔ)上。由于高頻切換的信號(hào)很難被利用，等效輸出作為一種濾波的手段來消除高頻切換的部分。我們采用如下濾波形式

其中，向量為向量的等效輸出，變量為向量的第i個(gè)元素，變量為的導(dǎo)數(shù)，變量為向量的第i個(gè)元素，為一個(gè)極小的正常數(shù)且為向量τm的第i個(gè)元素。

下面給出雙層快速調(diào)節(jié)的方法。首先定義一個(gè)變量δm(t)∈rⁿ，δ(t)的第i個(gè)元素的形式如下

其中，為向量am,βm0的第i個(gè)元素，為常數(shù)且滿足為一個(gè)極小的正常數(shù)且為向量εm的第i個(gè)元素。向量am,εm代表了安全范圍并且增加了穩(wěn)定的保守性。定義變量如下

其中，變量為向量lm(t)∈rⁿ的第i個(gè)元素；為正常數(shù)且為向量lm0的第i個(gè)元素。的導(dǎo)數(shù)滿足下面式子

其中，變量為向量ρm(t)的第i個(gè)元素。變量定義如下

其中，為正常數(shù)且為向量rm0的第i個(gè)元素；變量為向量rm(t)∈rⁿ的第i個(gè)元素。變量的導(dǎo)數(shù)滿足

其中，正常數(shù)為向量γm的第i個(gè)元素。

(13)—(17)即為雙層快速調(diào)節(jié)的方法。首先，第一層保證主機(jī)器人觀測器調(diào)整參數(shù)即這是差分系統(tǒng)(10)收斂必須滿足的條件。其次，第二層使得變量改變的速率決定于時(shí)變參數(shù)的變化，提高了調(diào)整速率。

相應(yīng)的，從狀態(tài)觀測器給出如下

其中，

其中的從機(jī)器人的變量含義與上面主機(jī)器人變量含義相對(duì)應(yīng)。

基于公式(5)，(19)，得到誤差系統(tǒng)如下

其中，

從端機(jī)器人的等效輸出形式為

對(duì)應(yīng)的，從端機(jī)器人觀測器雙層快速調(diào)節(jié)方法給出如下

其中從端觀測器雙層快速調(diào)節(jié)方法的變量的定義與上文中主端雙層快速調(diào)節(jié)方法的變量含義相對(duì)應(yīng)。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。