基于真實力反饋的四通道雙邊遙操作控制系統技術方案

本發明專利技術涉及一種四通道雙邊控制方法，將其應用于從端環境未知且需知主從力信息的遙操作系統中。該系統能夠實現主從端真實力的傳遞與反饋，并利用位置誤差、速度擾動進行力校正，增加系統精確性。屬于遙操作控制技術領域。本發明專利技術涉及大時延遙操作系統中的控制方法，主端操作者施加的力直接傳遞給從端機械臂，并將從端機械臂與環境的接觸力反饋給操作者，提出了一種對主從端的真實力進行雙向傳遞的四通道控制結構，并應用主從位置誤差進行力校正。利用李亞普諾夫函數及無源理論，全面分析了在自由運動和接觸運動中系統的各項性能指標。本發明專利技術無需對從端環境進行預先建模，適用于未知且非結構化的從端環境，且能滿足系統的穩定性、透明性和跟蹤性要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種四通道雙邊控制方法，將其應用于從端環境未知且需知主從カ信息的遙操作系統中。該系統能夠實現主從端真實カ的傳遞與反饋，并利用位置誤差、速度擾動進行力校正，増加系統精確性。屬于遙操作控制
2.
技術介紹
(I)研究現狀目前，遙操作技術已經深入到很多領域，如航天領域、深海作業和遠程醫療等，具有廣泛的應用前景。カ反饋雙邊遙操作系統，可使操作者產生臨場感。針對雙邊遙操作系統的穩定性問題，目前已有很多研究方法，其中基于現代控制理論的控制策略已經成為雙邊遙操作控制系統的發展趨勢。 最初的雙邊控制一般采用雙通道結構，將控制回路等效成電路網絡模式。主從端的力和速度分別代表電路網絡中的電壓和電流，從而形成雙通道結構。雙通道雙邊遙操作系統的結構圖如圖I所示。雙通道結構能完成基本的遙操作任務，但是不利于高精度控制。為此，基于力和速度均能進行雙邊傳遞的思想，文獻“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構，其結構圖如圖2所示。后來的許多研究者，都是在此結構的基礎上進行的修改與完善。其中文獻“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 兩人針對此結構增加了局部力反饋控制器，提高了系統的性能。文獻“無環境力反饋的四通道雙邊控制”(王?；瑢O富春，劉華平，閔海波.控制理論與應用，2011,28(3) :315-320)對此結構進行了簡化，設計了無環境力反饋的四通道結構，避免了直接對從端環境接觸力的測量。這種利用阻抗控制研究的四通道結構具有一定的局限性I)對于不同的作業環境，很難對從端環境阻抗進行精確建模；2)只將主手的位置或速度傳遞給從端機械臂，未考慮真實人手力作用效果；3)利用等價模型估算的從端環境カ是虛擬力，不能完全體現真實力效應。將操作者施加的カ傳遞給從端機械臂，并將從端機械臂與環境的接觸力反饋給操作者，直接體現真實的力傳輸而非間接カ傳輸。針對這一思路，本專利技術以線性時不變模型作為研究對象，設計了體現真實主從カ并根據主從位置偏差進行カ校正的KBG四通道雙邊控制結構。對此結構進行了從端自由運動和與環境接觸兩種情況下的性能分析，參考無源雙邊控制策略，提出了大時延情況下穩定的系統控制結構。并搭建遙操作演示驗證實驗平臺，對所提出結構進行了驗證。(2)遙操作系統建模時滯遙操作控制系統主從端模型的狀態空間表達式分別如下主手權利要求1.一種真實力反饋四通道雙邊遙操作控制系統，其特征在于包括以下步驟 1)定義真實力反饋四通道雙邊遙操作系統示意圖； 2)設計真實力反饋四通道雙邊遙操作系統總體控制結構框圖，明確系統中各個參數之間的關系； 3)設計真實力反饋四通道雙邊遙操作系統主從端控制器； 4)采用主從端真實力與主從端機械臂的位置、速度混合組成的結構完成主從端控制器的實現。2.如權利要求I所述的真實力反饋四通道雙邊遙操作系統，其特征在于 所述真實力反饋四通道雙邊遙操作控制系統結構定義如下 操作者施加力給主端機械臂，帶動主端機械臂運動； 主端機械臂的位置通過前向時延傳遞到從端機械臂，使從端機械臂跟隨主端機械臂運動； 操作者施加的力經過時延和主從位置偏差、從端速度擾動共同構成了從端控制器的設計； 環境施加給從端機械臂的力經過反饋環節時延傳遞回主端； 主從位置偏差、主端速度擾動信息與經過時延的從端環境力共同構成了主端控制器的設計。實現主從端真實力的雙向傳遞。3.如權利要求I所述的真實力反饋四通道雙邊遙操作系統，其特征在于 所述真實力反饋四通道雙邊遙操作控制系統控制器設計如下4.如權利要求I所述的真實力反饋四通道雙邊遙操作系統，其特征在于 所述系統包括操作者、主端機械臂、延時環節、從端機械臂、從端環境。5.如權利要求I所述的真實力反饋四通道雙邊遙操作系統，其特征在于 所述系統性能包括系統穩定性、系統跟蹤性、系統透明性。全文摘要本專利技術涉及一種四通道雙邊控制方法，將其應用于從端環境未知且需知主從力信息的遙操作系統中。該系統能夠實現主從端真實力的傳遞與反饋，并利用位置誤差、速度擾動進行力校正，增加系統精確性。屬于遙操作控制
本專利技術涉及大時延遙操作系統中的控制方法，主端操作者施加的力直接傳遞給從端機械臂，并將從端機械臂與環境的接觸力反饋給操作者，提出了一種對主從端的真實力進行雙向傳遞的四通道控制結構，并應用主從位置誤差進行力校正。利用李亞普諾夫函數及無源理論，全面分析了在自由運動和接觸運動中系統的各項性能指標。本專利技術無需對從端環境進行預先建模，適用于未知且非結構化的從端環境，且能滿足系統的穩定性、透明性和跟蹤性要求。文檔編號B25J9/16GK102848391SQ201210349978公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日專利技術者宋荊洲, 張曉鋒, 賈慶軒, 孫漢旭, 高欣 申請人:北京郵電大學本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種真實力反饋四通道雙邊遙操作控制系統，其特征在于包括以下步驟：1)定義真實力反饋四通道雙邊遙操作系統示意圖；2)設計真實力反饋四通道雙邊遙操作系統總體控制結構框圖，明確系統中各個參數之間的關系；3)設計真實力反饋四通道雙邊遙操作系統主從端控制器；4)采用主從端真實力與主從端機械臂的位置、速度混合組成的結構完成主從端控制器的實現。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：宋荊洲，張曉鋒，賈慶軒，孫漢旭，高欣，
申請(專利權)人：北京郵電大學，
類型：發明
國別省市：