一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法。在传统四通道双边控制方法的基础上，本发明专利技术通过建立主从端动力学模型，加入时延补偿通信通道，在保证系统稳定性的同时，大幅度提升了系统的透明性。针对传统四通道双边控制方法在通信时延下存在的失稳现象，本发明专利技术提出了基于无源理论的修正波变量方法，减轻了传统波变量存在的波反射现象对系统透明性的影响，保证遥操作过程中的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明专利技术能够很好地保证遥操作系统在时延条件下的稳定性，同时提升从端的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明专利技术方法易于实现，主要可以用于遥操作系统的双边控制，保证系统的稳定性和透明性。

A four channel bilateral control method for Teleoperation Based on time delay compensation

The invention discloses a four channel tele operation bilateral control method based on time delay compensation. On the basis of the traditional four channel bilateral control method, the invention adds the delay compensation communication channel through the establishment of the master slave dynamic model, and improves the transparency of the system greatly while ensuring the stability of the system. In view of the instability of the traditional four channel bilateral control method under the communication delay, a modified wave variable method based on the passive theory is proposed, which reduces the influence of the wave reflection phenomenon of the traditional wave variable on the system transparency, and ensures the position tracking performance and the fidelity of the force feedback in the teleoperation process. The invention can ensure the stability of the teleoperation system under the condition of time delay, and improve the position tracking performance of the slave end and the fidelity of the force feedback. The method of the invention is easy to realize and can be mainly used for the bilateral control of the teleoperation system to ensure the stability and transparency of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法
本专利技术属于遥操作控制领域，具体来说是一种时延遥操作系统的四通道双边控制方法，在保证遥操作系统稳定性的同时提升遥操作系统的透明性。
技术介绍
随着机器人技术的不断发展，依靠人机交互工作方式的遥操作技术已经在航空航天、深海作业、医疗手术等领域发挥了重要的作用，具有广泛的应用前景。特别是具有力反馈的双边遥操作系统，提升了系统的透明性能，增强了操作者的临场感。然而，随着主从端距离的加大，系统在信号传输过程中会产生较大的通信时延，恶化了系统的稳定性。以往的双边控制一般采用双通道结构，即二端口网络形式，主从端的力和速度分别表示网络中的电压和电流。尽管双通道结构能够保证遥操作系统完成基本的遥操作任务，但是系统的透明性能无法保证。为此，文献“Transparencyintime-delayedsystemsandtheeffectoflocalforcefeedbackfortransparentteleoperation”(K.Hashtrudi-Zaad.IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,2002,18(1):108-114)提出了一种四通道双边控制方法，基于主从端阻抗匹配的思想，提升系统的透明性。然而，这一方法并未考虑系统固有的通信时延，为此，文献“TransparentTime-DelayedBilateralTeleoperationUsingWaveVariables”(A.Aziminejad.IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2008,16(3):548-555)将双通道结构中基于无源理论的波变量双边控制方法引入四通道结构中，提出了波变量四通道双边控制方法，保证了在通信时延下的稳定性。但是，波变量的引入会引起波反射，恶化系统的透明性能。为此，本专利技术针对上述遥操作系统存在的稳定性和透明性权衡问题，改进波变量的结构，提出一种新的四通道遥操作双边控制方法，在保证遥操作系统稳定性的同时提升遥操作系统的透明性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法，用以解决传统四通道遥操作系统的稳定性和波变量的引入恶化系统透明性等技术问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案具体内容如下：本专利技术包括以下步骤：步骤1：建立双边遥操作系统的动力学模型：主端的动力学模型：ZcmVm+(C4Vs+C2Fe)e-Ts+b(C3Fh+C1Vm)＝(1+C6)Fh(1)从端的动力学模型：操作者与主端相互作用的动力学模型：Fh＝Fh*-ZhVm(3)从端与外界环境相互作用的动力学模型：Fe＝Fe*+ZeVs(4)其中，Zcm＝Zm+Cm，Zce＝Zs+Cs，Zm和Zs分别是力驱动下的主从端线性质量系数，Zm＝Mms，Zs＝Mss，Mm和Ms分别是主从端的质量，Cm和Cs分别是主从端的位置控制器系数，Cm＝Bm+Km/s，Cs＝Bs+Ks/s，C1～C4分别是四通道双边控制器系数，C5和C6分别是主从端的力补偿系数，Fh*是操作者的操作力，Fh是操作者与主端的相互作用力，Fe*是外界环境力，Fe是从端与外界环境的相互作用力，Zh和Ze分别是操作者和环境的阻抗系数，Vm是主端的运动速度，Vs是从端的运动速度，T是通信时延，b是波阻抗系数；步骤2：引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道：为了保证系统在通信时延下的稳定性，此步骤中引入修正波变量计算方法。然而，基于无源理论的波变量方法仅用于二端口网络结构，为了将这种方法扩展到四通道结构的遥操作系统中，将系统的通信通道分离为二端口网络结构，因此，系统的非物理输入速度和力混合项为：V1＝C3Fh+C1Vm(5)I2＝C2Fe+C4Vs(6)因为主从端的闭环方程可以写成：VmZm＝-VmCm+Fh(1+C6)-I1(7)VsZs＝-VsCs-Fe(1+C5)+V2(8)因此，系统的非物理输出速度和力混合项为：I1＝Fh(1+C6)-VmZcm(9)V2＝Fe(1+C5)+VsZce(10)在时延补偿通信通道中，修正波变量公式如下：其中，b是波阻抗系数，um(t)是主端的前向波变量，us(t)是从端的前向波变量，vm(t)是主端的反向波变量，vs(t)是从端的反向波变量。遥操作系统的时延模型如下：us(t)＝um(t-T)(15)vm(t)＝vs(t-T)(16)因此，该系统的混合矩阵可以表示为：系统的散射算子定义为：将方程(17)中的H(s)代入，散射算子的范数小于1，遥操作系统是稳定的。步骤3：设计四通道双边控制器，匹配透明性参数：联立方程(1)-(4),则：其中，△i(i＝1,2,3,4)是系统透明性中的误差项，可在透明性分析中忽略。为了保证遥操作系统的透明性，主从端的速度应满足Vm＝Vs，同时主从端的阻抗系数应满足Zto＝Ze，Zte＝Zh。定义本专利技术中的四通道双边控制器系数C1～C6不是Zh和Ze的函数，因此，由方程(18)-(19)，则：方程(20)是理想透明性条件，其中，C2和C3不同时为0。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术通过建立主从端的动力学模型，将四通道控制方法用于双边遥操作系统，提出理想透明性条件，很好地提升了系统的透明性能，从而提高遥操作过程中的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。2.本专利技术提出了修正波变量计算方法，并将该计算方法应用于四通道双边遥操作系统的通信通道时延补偿中，很好地保证了系统的稳定性能。3.本专利技术提出的修正波变量计算方法，反向波变量vs(t)只包含信号I2，很好地减弱了传统波变量存在的波反射问题。附图说明图1是本专利技术提出的修正波变量计算方法；图2是本专利技术提出的四通道双边遥操作系统框图，具体描述主端和从端之间的信号传递情况；图3是本专利技术的双边遥操作系统与操作端和环境相接触运动时主、从端位置追踪与力反馈情况仿真曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。现结合实施例、附图1和附图2对本专利技术作进一步描述：本专利技术的实施技术方案为：1)建立双边遥操作系统的动力学模型主端的动力学模型：ZcmVm+(C4Vs+C2Fe)e-Ts+b(C3Fh+C1Vm)＝(1+C6)Fh(1)从端的动力学模型：操作者与主端相互作用的动力学模型：Fh＝Fh*-ZhVm(3)从端与外界环境相互作用的动力学模型：Fe＝Fe*+ZeVs(4)其中，Zcm＝Zm+Cm，Zce＝Zs+Cs,Zm＝Mms，Zs＝Mss，Mm＝Ms＝0.5kg，Cm＝40Mm(10+1/s),Cs＝40Ms(10+1/s)，C1～C4分别是四通道双边控制器系数，C5和C6分别是主从端的力补偿系数，Fh*和Fe*分别输入振幅为2，频率为1Hz的方波信号，Zh＝Mm，Ze＝Ms，Vm是主端的运动速度，Vs是从端的运动速度，T是通信时延，b是波阻抗系数。2)引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立双边遥操作系统的动力学模型；第二步：引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道；第三步：设计四通道双边控制器，匹配透明性参数；在第一步中，建立的动力学模型为：主端的动力学模型：ZcmVm+(C4Vs+C2Fe)e‑Ts+b(C3Fh+C1Vm)＝(1+C6)Fh  (1)从端的动力学模型：

【技术特征摘要】
1.一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：建立双边遥操作系统的动力学模型；第二步：引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道；第三步：设计四通道双边控制器，匹配透明性参数；在第一步中，建立的动力学模型为：主端的动力学模型：ZcmVm+(C4Vs+C2Fe)e-Ts+b(C3Fh+C1Vm)＝(1+C6)Fh(1)从端的动力学模型：操作者与主端相互作用的动力学模型：Fh＝Fh*-ZhVm(3)从端与外界环境相互作用的动力学模型：Fe＝Fe*+ZeVs(4)其中，Zcm＝Zm+Cm，Zce＝Zs+Cs，Zm和Zs分别是力驱动下的主从端线性质量系数，Zm＝Mms，Zs＝Mss，Mm和Ms分别是主从端的质量，Cm和Cs分别是主从端的位置控制器系数，Cm＝Bm+Km/s，Cs＝Bs+Ks/s，C1～C4分别是四通道双边控制器系数，C5和C6分别是主从端的力补偿系数，Fh*是操作者的操作力，Fh是操作者与主端的相互作用力，Fe*是外界环境力，Fe是从端与外界环境的相互作用力，Zh和Ze分别是操作者和环境的阻抗系数，Vm是主端的运动速度，Vs是从端的运动速度，T是通信时延，b是波阻抗系数；在第二步中，引入修正波变量的计算方法，设计时延补偿通信通道的具体是：将系统的通信通道分离为二端口网络结构，则系统的非物理输入...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，黄方昊，包鲁丞，宋伟，王滔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33