一种基于双通道通讯的遥操作双边控制方法

摘要

本发明公开了一种基于双通道通讯的遥操作双边控制方法，包括以下步骤：1)建立主手和从手的动力学模型，2)建立从手环境和操作者模型，3)分别在主手端和从手端引入控制器，4)得出系统闭环动力学模型；本发明不必使用四个通讯通道来同时在主手和从手端传递位置和力信息，而只需采用双通道通讯即可满足控制系统稳定控制的要求，从而达到简化控制系统设计方法，节约遥操作过程中宝贵的通讯带宽等成本；另外，本发明在控制系统中通过引入阻抗/联合控制方法，可以发挥该控制方法对环境参数不确定的适应性优势，从而使双边控制系统具有更好的抗干扰能力。

主权项

一种基于双通道通讯的遥操作双边控制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立主手和从手的动力学模型只考虑末端执行器做平动运动，机械臂动力学模型在笛卡尔空间坐标系中表示为$D_x\left(q\right)\stackrel{··}{X}+H_x(q,\stackrel{·}{q})=F-F_e+F_{dist}---\left(1\right)$其中，X∈R³表示机械臂末端位置，q∈Rⁿ表示机械臂各关节角，D_x(q)∈R^3×3表示机械臂惯量矩阵，包括机械臂所受科里奥力、离心力和重力，F_e∈R³表示机器人末端对环境作用力，F_dist∈R³表示作用在执行器上面的外部干扰力；F∈R³是控制输入，根据阻抗/直接联合控制方法，阻抗控制律为：$F={\hat{D}}_x(U+K_p{E}_f+K_i{\int }_0^t{E}_{f}dt)+{\hat{H}}_x+F_e---\left(2\right)$其中，K_p和K_i是对角矩阵；和分别是D_x和H_x的估计值；且有：$U={\stackrel{··}{X}}_r+M_t^{-1}(B_t{\stackrel{·}{E}}_x+K_t{E}_x-F_e)---\left(3\right)$假设环境为一线性质量弹簧阻尼系统；在有约束运动条件下，参考轨迹X_r可写为：$X_r=X_{eo}+K_{eq}^{-1}{F}_d---\left(4\right)$K_eq＝K_t(K_e+K_t)^‑1K_e   (5)其中，X_eo∈R³表示研究对象在环境中的初始位置，K_e∈R^3×3表示环境刚度系数矩阵，为对角矩阵，F_d∈R³表示期望力，M_t,B_t,K_t∈R³是所研究对象的惯量，阻尼，刚度系数矩阵；将研究对象的阻抗定义为：$M_t{\stackrel{··}{E}}_x+B_t{\stackrel{·}{E}}_x+K_t{E}_x=F_e---\left(6\right)$且有：E_x＝X_r‑X   (7)E_f＝F_d‑F_e   (8)根据(1)式，忽略系统外部干扰力，分别建立主手和从手的动力学模型$F_{mc}=D_{xm}{\stackrel{··}{X}}_m+H_{xm}-F_h---\left(9\right)$$F_{sc}=D_{xs}{\stackrel{··}{X}}_s+H_{xs}+F_e---\left(10\right)$其中，D_xm和D_xs分别表示主手和从手的惯量矩阵，H_xm和H_xs分别表示主手和从手对应于(1)式的H_x，X_m和X_s分别表示主手和从手的位置，F_h和F_e分别表示操作者施加在主手上的力、从手施加给环境的力，F_mc和F_sc分别表示主手和从手的控制输入量；2)建立从手环境和操作者模型环境模型用线性定常质量弹簧阻尼系统模型表示F_e(s)＝(M_es²+B_es+K_e)(X_s(s)‑X_eo(s))   (11)M_e，B_e和K_e∈R^3×3是对角矩阵，分别表示环境模型的质量，阻尼，刚度系数矩阵；将操作者也等效为线性定常质量弹簧阻尼系统，其动力学模型在频域内能够表示为：$F_h\left(s\right)=F_h^{*}\left(s\right)-Z_h{V}_h\left(s\right)---\left(12\right)$这里，V_h表示操作者操作主手运动的速度，是操作者施加给主手的力；Z_h是操作者的阻抗矩阵，定义为：$Z_h=M_{h}s+B_h+\frac{K_h}{s}---\left(13\right)$M_h，B_h和K_h∈R^3×3分别代表操作者的质量，阻尼和刚度系数矩阵；3)分别在主手端和从手端引入控制器在有约束运动的条件下，用F_ed表示从手作用在环境上的期望力，则有F_ed＝F_h；根据(2)式，在从手端引入如下控制器$F_{sc}=D_{xs}(U_s+K_{ps}{E}_{fs}+K_{is}{\int }_0^t{E}_{fs}dt)+H_{xs}+F_e---\left(14\right)$其中：E_fs＝F_h‑F_e   (15)$U_s=M_{ts}^{-1}(B_{ts}{\stackrel{·}{E}}_{xs}+K_{ts}{E}_{xs}-F_e)---\left(16\right)$E_xs＝X_rs‑X_s   (17)$X_{rs}=X_{eo}+K_e^{-1}(K_e+K_{ts})K_{ts}^{-1}{F}_h---\left(18\right)$以上各式中下标s表示从手的参数项；对于主手端，用X_md表示主手的期望位置，则有X_md＝X_s，使用一种基于位置误差的的控制器补偿控制力：$F_{mc}=D_{xm}[{\stackrel{··}{X}}_s+K_{vm}{\stackrel{·}{E}}_{ms}+K_{pm}{E}_{ms}+K_{im}{\int }_0^t{E}_{ms}dt]+H_{xm}-F_h---\left(19\right)$其中：E_ms＝X_s‑X_m   (20)下标m代表主手，对角矩阵K_vm，K_pm和K_im是主手的控制参数；4)得出系统闭环动力学模型通过比较式(9)和式(19)，式(10)和式(14)，获得系统闭环动力学方程；对于主手端有：${\stackrel{··}{X}}_s-{\stackrel{··}{X}}_m+K_{vm}({\stackrel{·}{X}}_s-{\stackrel{·}{X}}_m)+K_{pm}(X_s-X_m)+K_{im}{\int }_0^t(X_s-X_m)dt=0---\left(21\right)$对于从手端有：$\begin{array}{c}(M_{ts}^{-1}{K}_{ts}{K}_{eqs}^{-1}+K_{ps})(F_h-F_e)+K_{is}{\int }_0^t(F_h-F_e)dt\\ =M_{ts}^{-1}(M_{ts}+M_e-K_{ts}{K}_{eqs}^{-1}{M}_e){\stackrel{··}{X}}_s+M_{ts}^{-1}(B_{ts}+B_e-K_{ts}{K}_{eqs}^{-1}{B}_e){\stackrel{·}{X}}_s\end{array}---\left(22\right)$对式(21)和式(22)分别取拉普拉斯变换，则主手端和从手端的闭环动力学在频域分别表示为：$\begin{array}{c}(X_s-X_m)s^2+k_{vm}(X_s-X_m)s+k_{pm}(X_s-X_m)+k_{im}(X_s-X_m)\frac{1}{s}=0---\left(23\right)\\ \begin{array}{c}\left(\frac{k_{ts}}{m_{ts}{k}_{eqs}}+k_{ps}+\frac{k_{is}}{s}\right)(F_h-F_e)\\ =\left(1+\frac{m_e}{m_{ts}}-\frac{m_e{k}_{ts}}{m_{ts}{k}_{eqs}}\right)s^2{X}_s+\left(\frac{b_{ts}}{m_{ts}}+\frac{b_e}{m_{ts}}-\frac{b_e{k}_{ts}}{m_{ts}{k}_{eqs}}\right){\mathrm{sX}}_s\end{array}---\left(24\right)\end{array}$小写字母表示式(21)和式(22)中对应矩阵的分量形式。