本發(fā)明涉及了一種時(shí)延雙邊遙操作控制方法，具體涉及一種結(jié)合四通道和時(shí)域無(wú)源的時(shí)延雙邊遙操作控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，特別是機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，各種重復(fù)或繁重的作業(yè)任務(wù)正逐漸由機(jī)器人所承擔(dān)。然而在一些特殊領(lǐng)域，如太空和深海探索、遠(yuǎn)程醫(yī)療、核工業(yè)和化工業(yè)廢料處理等場(chǎng)景下，由人類直接到達(dá)作業(yè)區(qū)域、或由全自主式機(jī)器人獨(dú)立完成作業(yè)的方法，在技術(shù)上仍難以實(shí)現(xiàn)。因此，由人類操作者依靠雙邊遙操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人實(shí)現(xiàn)探索和作業(yè)目標(biāo)的方法，成為重要的解決方案。

2、雙邊遙操作系統(tǒng)由主要人類操作者、主端力反饋設(shè)備、通信信道、從端機(jī)器人、外部接觸環(huán)境構(gòu)成。人類操作者在本地操作主端力反饋設(shè)備發(fā)出目標(biāo)命令，命令信息通過(guò)通信信道傳送，從端機(jī)器人接收命令，并在外部接觸環(huán)境中移動(dòng)作業(yè)，并通過(guò)通信通道將真實(shí)的環(huán)境信息反饋給人類操作者，其反映外界環(huán)境的能力被稱為透明性。同時(shí)，實(shí)際通信信道往往存在較大時(shí)延，即主端發(fā)出命令和從端收到命令存在時(shí)間差，這種時(shí)延會(huì)導(dǎo)致遙操作系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至引發(fā)從端機(jī)器人損壞等后果，保證雙邊遙操作系統(tǒng)在時(shí)延下的穩(wěn)定性也成為一大挑戰(zhàn)。

3、雙邊遙操作系統(tǒng)的透明性和穩(wěn)定性相互制衡，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)提高系統(tǒng)透明性，仍是當(dāng)前時(shí)延雙邊遙操作控制領(lǐng)域需要解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的控制方法在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，往往使反饋信息會(huì)發(fā)生畸變，導(dǎo)致系統(tǒng)透明性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決技術(shù)背景中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)合四通道和時(shí)域無(wú)源的時(shí)延雙邊遙操作控制方法。本發(fā)明使用時(shí)域無(wú)源方法，建立包含無(wú)源觀測(cè)器和無(wú)源控制器的時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)，保證遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并建立四通道的通信架構(gòu)，將主、從端位置和速度信息分別通過(guò)通信信道傳輸，提升遙操作系統(tǒng)的透明性。

2、本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明的結(jié)合四通道和時(shí)域無(wú)源的時(shí)延雙邊遙操作控制方法，包括：

4、第一步：建立雙邊遙操作系統(tǒng)中操作者、主端力反饋設(shè)備、從端機(jī)器人和外部接觸環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型。

5、第二步：基于動(dòng)力學(xué)模型，使用時(shí)域無(wú)源方法，在主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人之間的通信信道建立時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)調(diào)整主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人在通信信道中傳輸?shù)牧退俣刃盘?hào)，以實(shí)現(xiàn)雙邊遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

6、第三步：使用四通道通信信道架構(gòu)，將主端力反饋設(shè)備經(jīng)時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)調(diào)整后的力和速度信號(hào)以及操作者的作用力共同輸入四通道通信信道架構(gòu)中的增益模塊中，增益模塊處理后輸出主端力反饋設(shè)備的外部作用力；將從端機(jī)器人經(jīng)時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)調(diào)整后的力和速度信號(hào)以及外部接觸環(huán)境的作用力共同輸入四通道通信信道架構(gòu)中的增益模塊中，增益模塊處理后輸出從端機(jī)器人的從端力反饋設(shè)備的外部作用力，以實(shí)現(xiàn)雙邊遙操作系統(tǒng)的透明性，實(shí)現(xiàn)主端力反饋設(shè)備和從端力反饋設(shè)備的外部作用力的識(shí)別。

7、第四步：將四通道通信信道架構(gòu)和時(shí)域無(wú)源方法結(jié)合構(gòu)建雙邊遙操作系統(tǒng)，在通信信道的信號(hào)傳輸過(guò)程中，使用由位置和速度信息共同編碼的等效速度信號(hào)替代通信信道中的速度信號(hào)進(jìn)行傳輸。

8、第五步：建立從端等效比例控制器以及無(wú)源性約束下的主、從端反饋無(wú)源控制器；將等效速度信號(hào)輸入從端等效比例控制器中，從端等效比例控制器輸出從端等效控制力對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行控制；將主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的位置輸入主、從端反饋無(wú)源控制器中，主、從端反饋無(wú)源控制器輸出主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力對(duì)主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的時(shí)延雙邊遙操作控制。從端等效比例控制器以解決位置漂移的問(wèn)題，主、從端反饋無(wú)源控制器以解決時(shí)域無(wú)源方法中無(wú)源性與等效速度信號(hào)無(wú)關(guān)的問(wèn)題。

9、所述的第一步中，雙邊遙操作系統(tǒng)由操作者、主端力反饋設(shè)備、從端機(jī)器人和外部接觸環(huán)境構(gòu)成，主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的力和速度信號(hào)通過(guò)通信信道相互傳輸；雙邊遙操作系統(tǒng)中操作者、主端力反饋設(shè)備、從端機(jī)器人和外部接觸環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型具體如下：

10、miai+bivi＝ficon+fiext,i＝m,s

11、fj＝bjvj+kjxj,j＝h,e

12、其中，mi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的質(zhì)量，i＝m表示參數(shù)對(duì)應(yīng)為主端力反饋設(shè)備的參數(shù)，i＝s表示參數(shù)對(duì)應(yīng)為從端機(jī)器人的參數(shù)，mm和ms分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的質(zhì)量；ai和vi分別表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的加速度和速度，am和vm分別表示主端力反饋設(shè)備的加速度和速度，as和vs分別表示從端機(jī)器人的加速度和速度；bi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的阻尼系數(shù)，bm和bs分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的阻尼系數(shù)；ficon表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力，和分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力；fiext表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人受到的外部作用力，和分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人受到的外部作用力，對(duì)主端和從端而言分別為fh和fe；fj表示操作者或外部接觸環(huán)境的作用力，和對(duì)應(yīng)的主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人受到的外部作用力fiext相同，j＝h表示參數(shù)對(duì)應(yīng)為人類操作者的參數(shù)，j＝e表示參數(shù)對(duì)應(yīng)為外部接觸環(huán)境的參數(shù)，fh表示操作者的作用力，即為主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力fe表示外部接觸環(huán)境的作用力，即為從端機(jī)器人受到的外部作用力bj和kj分別表示操作者或外部接觸環(huán)境的阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)，bh和kh分別表示操作者的阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)，be和ke分別表示外部接觸環(huán)境的阻尼系數(shù)和彈性系數(shù)；vj和xj分別表示操作者與主端力反饋設(shè)備之間相互作用或外部接觸環(huán)境與從端機(jī)器人之間相互作用的速度和位置，vh和xh分別表示操作者與主端力反饋設(shè)備之間相互作用的速度和位置，ve和xe分別表示外部接觸環(huán)境與從端機(jī)器人之間相互作用的速度和位置，在無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下有ve＝vs,xe＝xs。

13、所述的第二步中，時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)包括正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)和反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)，正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)包括自身的兩個(gè)端口兩側(cè)的正向無(wú)源觀測(cè)器和正向無(wú)源控制器，反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)均包括自身的兩個(gè)端口兩側(cè)的反向無(wú)源觀測(cè)器和反向無(wú)源控制器。

14、在正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)中，主端力反饋設(shè)備的速度vm自一側(cè)端口輸入，從端機(jī)器人受到的外部接觸環(huán)境的作用力fe自另一側(cè)端口輸入，經(jīng)過(guò)時(shí)延和正向無(wú)源控制器調(diào)整的從端機(jī)器人受到的外部作用力fed自一側(cè)端口輸出，經(jīng)過(guò)時(shí)延和正向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備的速度vmd自另一側(cè)端口輸出。

15、在反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)中，主端力反饋設(shè)備受到的操作者的作用力fh自一側(cè)端口輸入，從端機(jī)器人的速度vs自另一側(cè)端口輸入，經(jīng)過(guò)時(shí)延和反向無(wú)源控制器調(diào)整后的從端機(jī)器人的速度vsd自一側(cè)端口輸出，經(jīng)過(guò)時(shí)延和反向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力fhd自另一側(cè)端口輸出。

16、所述的正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)中，輸入的主端力反饋設(shè)備的速度vm和從端機(jī)器人受到的外部接觸環(huán)境的作用力fe首先經(jīng)過(guò)時(shí)延，具體如下：

17、

18、其中，表示t時(shí)刻經(jīng)過(guò)時(shí)延后的主端力反饋設(shè)備的速度信號(hào)；tf1(t)表示t時(shí)刻正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)由一側(cè)向另一側(cè)的傳輸時(shí)延；表示t時(shí)刻經(jīng)過(guò)時(shí)延后的從端機(jī)器人受到的外部接觸環(huán)境的作用力信號(hào)；tb1(t)表示t時(shí)刻正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)由另一側(cè)向一側(cè)的傳輸時(shí)延。

19、然后使用正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)兩端口一側(cè)的第二正向無(wú)源控制器調(diào)整經(jīng)過(guò)時(shí)延后的主端力反饋設(shè)備的速度信號(hào)使用另一側(cè)的第一正向無(wú)源控制器調(diào)整經(jīng)過(guò)時(shí)延后的從端機(jī)器人受到的外部接觸環(huán)境的作用力信號(hào)具體如下：

20、

21、其中，fed表示經(jīng)過(guò)第一正向無(wú)源控制器調(diào)整后的從端機(jī)器人受到的外部作用力，vmd表示經(jīng)過(guò)第二正向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備的速度；和分別表示第一正向無(wú)源控制器的控制系數(shù)和第二正向無(wú)源控制器的控制系數(shù)；和分別表示正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)兩端口一側(cè)的第一正向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量以及另一側(cè)的第二正向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量。

22、所述的第一正向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量以及第二正向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量具體如下：

23、

24、其中，b表示無(wú)源性系數(shù)，用于聯(lián)系不同量綱的力和速度；∈表示時(shí)延系數(shù)，代表了時(shí)變的時(shí)延對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)的保守估計(jì)值。

25、和均為非負(fù)時(shí)，可以保證正向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源性，即保證vm和fe這兩條通信信道的無(wú)源性。

26、所述的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)中，輸入的主端力反饋設(shè)備受到的操作者的作用力fh和從端機(jī)器人的速度vs首先經(jīng)過(guò)時(shí)延，具體如下：

27、

28、其中，表示t時(shí)刻經(jīng)過(guò)時(shí)延后的主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力信號(hào)；tf2(t)表示t時(shí)刻反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)由一側(cè)向另一側(cè)的傳輸時(shí)延；表示t時(shí)刻經(jīng)過(guò)時(shí)延后的從端機(jī)器人的速度信號(hào)；tb2(t)表示t時(shí)刻反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)由另一側(cè)向一側(cè)的傳輸時(shí)延。

29、然后使用反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)兩端口一側(cè)的第一反向無(wú)源控制器調(diào)整經(jīng)過(guò)時(shí)延后的主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力信號(hào)使用另一側(cè)的第二反向無(wú)源控制器調(diào)整經(jīng)過(guò)時(shí)延后的經(jīng)過(guò)時(shí)延后的從端機(jī)器人的速度信號(hào)具體如下：

30、

31、其中，vsd表示經(jīng)過(guò)第二反向無(wú)源控制器調(diào)整后的從端機(jī)器人的速度，fhd表示經(jīng)過(guò)第一反向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力；和分別表示第二反向無(wú)源控制器的控制系數(shù)和第一反向無(wú)源控制器的控制系數(shù)；和分別表示反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)兩端口一側(cè)的第一反向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量以及另一側(cè)的第二反向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量。

32、在時(shí)延的作用下，時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源性不一定成立，因此建立反向無(wú)源控制器來(lái)調(diào)整傳輸?shù)牧退俣刃盘?hào)和為vsd和fhd，無(wú)源控制器保證了經(jīng)過(guò)無(wú)源控制器調(diào)整后的信號(hào)始終非負(fù)，即保證vs和fh這兩條通信信道的無(wú)源性。

33、所述的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)兩端口一側(cè)的第一反向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量以及另一側(cè)的第二反向無(wú)源觀測(cè)器觀測(cè)的反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)耗散的能量具體如下：

34、

35、其中，b表示無(wú)源性系數(shù)；∈表示時(shí)延系數(shù)。

36、和均為非負(fù)時(shí)，可以保證反向時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)的無(wú)源性，即保證vs和fh這兩條通信信道的無(wú)源性。

37、所述的第三步中，對(duì)于主端力反饋設(shè)備，發(fā)送主端力反饋設(shè)備的速度vm和主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力fh，接收經(jīng)過(guò)時(shí)延和第二反向無(wú)源控制器調(diào)整后的從端機(jī)器人的速度vsd以及經(jīng)過(guò)時(shí)延和第一反向無(wú)源控制器調(diào)整的從端機(jī)器人受到的外部作用力fed，然后與操作者的作用力fh共同輸入增益模塊中，增益模塊處理后輸出主端力反饋設(shè)備的外部作用力具體如下：

38、

39、其中，c2、c4和c6分別表示增益模塊的第二、第四和第六個(gè)四通道增益系數(shù)。

40、對(duì)于從端機(jī)器人，發(fā)送從端機(jī)器人的速度vs和從端機(jī)器人受到的外部作用力fe，接收經(jīng)過(guò)時(shí)延和第二正向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備的速度vmd和經(jīng)過(guò)時(shí)延和第一正向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備受到的外部作用力fhd，然后與外部接觸環(huán)境的作用力fe共同輸入至增益模塊中，增益模塊處理后輸出從端機(jī)器人的從端力反饋設(shè)備的外部作用力具體如下：

41、

42、其中，c1、c3和c5分別表示增益模塊的第一、第三和第五個(gè)四通道增益系數(shù)；表示從端機(jī)器人的等效控制力；kpr表示等效增益系數(shù)。

43、所述的第四步中，等效速度信號(hào)具體如下：

44、ri＝vi+λxi,i＝m,s

45、其中，ri表示等效速度信號(hào)，rm和rs分別表示主端力反饋設(shè)備的速度vm和從端機(jī)器人的速度vs的等效速度信號(hào)；λ表示等效速度系數(shù)；xi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的位置，xm和xs分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的位置。

46、所述的第五步中，通過(guò)對(duì)等效速度信號(hào)的定義，位置信息與速度信息可以一起編碼，并建立從端等效比例控制器來(lái)恢復(fù)準(zhǔn)確的位置跟蹤，從端等效比例控制器具體如下：

47、

48、其中，表示從端等效比例控制器調(diào)整后的從端機(jī)器人的等效控制力；kpr表示等效增益系數(shù)；rmd表示經(jīng)過(guò)第一正向無(wú)源控制器調(diào)整后的主端力反饋設(shè)備的速度vmd的等效速度信號(hào)，rs表示從端機(jī)器人的速度vs的等效速度信號(hào)。

49、在引入等效速度信號(hào)后，建立的原本對(duì)于速度具有無(wú)源性的主端力反饋設(shè)備動(dòng)力學(xué)模型和從端機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型對(duì)等效速度信號(hào)不再具有無(wú)源性，因此需要調(diào)整動(dòng)力學(xué)模型以確保主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的無(wú)源性。

50、主、從端反饋無(wú)源控制器具體如下：

51、ficon＝fifpc,i＝m,s

52、

53、其中，ficon表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力，和分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力；fifpc表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的反饋無(wú)源控制力，和分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的反饋無(wú)源控制力，ficon和二者相等，即主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人受到的內(nèi)部控制力為反饋無(wú)源控制力；bi和ki分別表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的反饋無(wú)源阻尼系數(shù)和反饋無(wú)源增益系數(shù)，bm和km分別表示主端力反饋設(shè)備的反饋無(wú)源阻尼系數(shù)和反饋無(wú)源增益系數(shù)，bs和ks表示從端機(jī)器人的反饋無(wú)源阻尼系數(shù)和反饋無(wú)源增益系數(shù)；xi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的位置，xm和xs分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的位置，表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的位置的導(dǎo)數(shù)，和分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的位置的導(dǎo)數(shù)。

54、無(wú)源性約束具體如下：

55、bi+bi＞λmi,λ＞0,ki＞0

56、其中，bi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的阻尼系數(shù)，bm和bs分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的阻尼系數(shù)；λ表示等效速度系數(shù)；mi表示主端力反饋設(shè)備或從端機(jī)器人的質(zhì)量，mm和ms分別表示主端力反饋設(shè)備和從端機(jī)器人的質(zhì)量。

57、本發(fā)明的有益效果是：

58、1、本發(fā)明使用時(shí)域無(wú)源方法，建立包含無(wú)源觀測(cè)器和無(wú)源控制器的時(shí)延能量網(wǎng)絡(luò)，在通信信道存在時(shí)變時(shí)延的條件下保證遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保人類操作者操控機(jī)械臂時(shí)的安全性。

59、2、本發(fā)明建立四通道的通信架構(gòu)，將主、從端位置和速度信息分別通過(guò)通信信道傳輸，提升遙操作系統(tǒng)的透明性，便于人類操作者實(shí)時(shí)感知外部接觸環(huán)境并做出反應(yīng)。