针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立具有n自由度的主从端机器人的动力学模型；步骤2，设计的控制方法；步骤3，利用概率统计的方法对网络中存在的时滞的分布规律进行描述。

Synchronization control method for bilateral teleoperation system based on delay probability distribution

【技术实现步骤摘要】
针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法
本专利技术涉及一种智能控制技术，特别是一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法。
技术介绍
机器人双边遥操作系统是以遥操作技术为核心的一种系统，在该系统中，操作者通过本地端的操作完成对远端目标的控制，这一技术有着广泛的应用，诸如对远端系统的零部件更换与维护、核废料的处理、进行远程手术等操作者无法又或者不便于亲身参与的任务。遥操作系统可以让操作者避免直接参与此类任务带来的危险，同时还能提高工作效率与精度，这些优势使得这一技术成为机器人领域中颇受关注的一种控制系统。典型的双边遥操作控制系统主要是由五个部分互联构成，它们依次是：操作者、主端机器人、通讯通道、从端机器人和操作环境。系统的运行和工作机制大致为：首先由操作者操作主端机器人，输入控制信号，然后主端机器人做出相应的动作，并通过一定的传感器对动作信息(主要有位置、速度和角速度等)进行采样并通过通讯通道发送出去。接下来由从端机器人按照接收到的动作信息重复或者再现主端机器人的动作，作用于环境中的操作目标。而从端机器人上的传感器也会将其动作信息进行测量通过通讯通道反馈给主端。操作者接收到反馈信息后与主端机器人动作进行对比和分析，做出下一步控制命令。循环执行前述步骤，最终可以实现从端机器人对主端机器人的动作跟踪，完成指定控制和操作任务。双边遥操作控制系统中时滞(包括传输时延和处理时延)的存在，导致信号不能实时传输，使得主端和从端机器人出现了动作的不同步以及偏差，这大大降低了系统的操作和控制性能，甚至影响控制系统的稳定性。所以为了提高系统的控制性能，需要消除或者减弱时滞对双边遥操作系统的影响。现有的基于时滞的双边遥操作系统的稳定性判据仅仅和时滞的变化范围有关，而不考虑前向时延和后向时延各自的分布情况。假如网络时延小于系统稳定所能接受的最大时延，那么系统就是稳定的。但如果网络时延超过了判据所允许的最大值，那么系统可能将不稳定。在实际系统中，很多系统中的时滞分布是具有一定的规律的，这些规律都可以利用概率统计的方法进行表达。易发现较大时滞的区间出现时滞的概率比较小，但却是以比较大的概率出现在时滞较小的区间范围内。所以针对可以利用概率统计方法描述的时滞分布的系统需要一种有效的同步控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法。实现本专利技术目的的技术方案为：一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立具有n自由度的主从端机器人的动力学模型；步骤2，设计的控制方法；步骤3，利用概率统计的方法对网络中存在的时滞的分布规律进行描述。采用上述方法，步骤1中所述的动力学模型为其中，qi、是广义关节位置、速度矢量和加速度，m、s分别代表主、从端，Mi(qi)是对称、有界正定惯性矩阵，表示向心力矩和哥式力矩矢量，Fh、Fe分别为操作者输入力矩和环境力矩，Ui(qi)是机械手的势能。采用上述方法，步骤2所述的控制方法为其中，dm(t)是从主端到从端的延时，ds(t)是从从端到主端的延时，Km和Ks是比例系数，αm和αs是阻尼系数。采用上述方法，步骤3的具体过程为：步骤3.1，做出如下假设假设其中，和分别为dm(t)和ds(t)能够达到的最大值；假设dm(t)在区间[0,τ0]和中取值，同时ds(t)在区间[0,τ0]和中取值，其中，dm(t)在区间[0,τ0]上的概率为Prob{dm(t)∈[0,τ0]}＝δm，dm(t)在区间上的概率为ds(t)在区间[0,τ0]上的概率为Prob{ds(t)∈[0,τ0]}＝δs，ds(t)在区间上的概率为假设人类操作者和环境是无源的，即满足如下式：步骤3.2，定义三个映射函数：大于等于0的实数集合。定义如下三个集合：其中，当前向时延dm(t)的值落在[0,τ0]区间内时，前向时延dm(t)可用映射函数τ1(t)替代，当前向时延dm(t)的值落在区间内时，前向时延dm(t)可用映射函数τ2(t)替代，当后向时延ds(t)的值落在[0,τ0]区间内时，后向时延ds(t)可用映射函数τ1(t)替代，当后向时延ds(t)的值落在区间内时，后向时延ds(t)可用映射函数τ3(t)替代；步骤3.3，定义两个随机变量：其中，δm(t)和δs(t)满足伯努利分布的随机变量，Prob{δm(t)＝1}＝E{δm(t)}＝δmProb{δs(t)＝1}＝E{δs(t)}＝δsE{(1-δm(t))2}＝1-δmE{δm(t)(1-δm(t))}＝0E{(1-δs(t))2}＝1-δsE{δs(t)(1-δs(t))}＝0将以上定义的随机变量δm(t)和δs(t)和函数τ1(t)，τ2(t)和τ3(t)引入公式(2)中，则公式(1)变为本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)这里考虑的是两个机械臂系统，实现的是主从机械臂的同步控制，更具有应用价值；(2)通过将时延的值放在两个区间并考虑在每个区间内的概率，引入两个满足伯努利二项分布的随机变量，给出一种新的双边遥操作系统时延建模方法，并使得系统性能与网络延时的分布情况相关。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1是一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法的流程图。图2是人类输入力F的变化曲线示意图。图3是主从系统各关节的位置变化曲线示意图。图4是主从系统位置跟踪误差曲线示意图。图5是主从系统在Y轴方向上的高度变化曲线示意图。图6是力矩Fh与力矩Fe随时间的变化曲线示意图。图7是力矩Fh与力矩Fe之间的误差曲线示意图。图8是前向时延dm(t)示意图。图9是后向时延ds(t)示意图。具体实施方式结合图1，一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立具有n自由度的主从端机器人的动力学模型；步骤2，设计的控制方法；步骤3，利用概率统计的方法对网络中存在的时滞的分布规律进行描述。步骤1中，考虑一个具有n自由度的双边遥操作系统，主从端分别为具有n个关节的机械臂，则系统动力学方程如下所示：其中是广义关节位置和速度矢量，m、s分别代表主从端；是对称、有界正定惯性矩阵；表示向心力矩和哥式力矩矢量；是控制输入转矩矢量，分别为操作者输入力矩和环境力矩；Gi(qi)由以下特性定义。特性：存在标量βi满足Ui(qi)≥βi，其中Ui(qi)是机械手的势能，满足如下关系：步骤2中，设计控制器如下式所示其中dm(t)是前向时延(从主端到从端)，ds(t)是后向时延(从从端到主端)。Km和Ks是比例系数，αm和αs是阻尼系数，这些控制器增益均为正定。步骤3中，本专利技术中所考虑的系统通信时延是非对称时变时滞，也即前向时延和后向时延dm(t)，ds(t)并不相同，且二者都是时变的。为了分析时滞分布依赖情况下的双边遥操作系统，做出如下假设。假设1：假设前向时延和后向时延均是有界的，也即二者分别满足和其中和分别为前向时延和后向时延能够达到的最大值。假设前向时延dm(t)和后向时延ds(t)的概率分布信息都能利用概率统计的方法得到，也即假设dm(t)在区间[0,τ0]和中取值，同时ds(t)在区间[0,τ0]和中取值，其中前向时延dm(t)在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立具有n自由度的主从端机器人的动力学模型；步骤2，设计的控制方法；步骤3，利用概率统计的方法对网络中存在的时滞的分布规律进行描述。

【技术特征摘要】
1.一种针对基于时滞概率分布的双边遥操作系统的同步控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立具有n自由度的主从端机器人的动力学模型；步骤2，设计的控制方法；步骤3，利用概率统计的方法对网络中存在的时滞的分布规律进行描述。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中所述的动力学模型为其中，qi、是广义关节位置、速度矢量和加速度，m、s分别代表主、从端，Mi(qi)是对称、有界正定惯性矩阵，表示向心力矩和哥式力矩矢量，Fh、Fe分别为操作者输入力矩和环境力矩，Ui(qi)是机械手的势能。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2所述的控制方法为其中，dm(t)是从主端到从端的延时，ds(t)是从从端到主端的延时，Km和Ks是比例系数，αm和αs是阻尼系数。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：步骤3.1，做出如下假设假设其中，和分别为dm(t)和ds(t)能够达到的最大值；假设dm(t)在区间[0,τ0]和中取值，同时ds(t)在区间[0,τ0]和中取值，其中，dm(t)在区间[0,τ0]上的概率为Prob{dm(t)∈[0,τ0]}＝δm，dm(t)在区间上的概率为ds(t...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗锐，周捷，张益军，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32