一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法技术

本发明专利技术公开了一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，涉及机器人遥操作系统控制技术领域，包括如下步骤：建立磁滞非线性受限下的遥操作系统动力学模型；选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统，分别测量系统参数；实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息，对施加的力进行近似力估计；将力估计的观测值反馈到控制器设计中；设计时变时延下的四通道波变量通信通道；通过时域无源控制和自适应控制方法设计四通道双边控制器。本发明专利技术保证时变时延情况下通信通道的无源性又实现了很高的跟踪性能，解决现有力观测器估计能力有限和估计速度慢的问题，同时消除对力传感器的需求，降低了系统硬件成本。

A force feedback control method for four channel teleoperation with hysteresis nonlinearity constraints

【技术实现步骤摘要】
一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法
本专利技术涉及机器人遥操作系统控制
，尤其是一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法。
技术介绍
作为远程操作系统，遥操作系统能最大限度发挥人的高级智能和机器智能各自优势，目前已被广泛应用于核事故救援、空间探测、海底作业和远程医疗等各个领域。遥操作系统主要有两个性能指标：稳定性和透明性。即要求无论有无操作者施加的力或外部环境的力激励，从机器人都能够准确跟随主机器人运动轨迹，与此同时操作者完全可以感受到外界环境对从机器人的作用力，使得操作者有“身临其境”的感觉。最初的通信通道采用的是基于波变量的二通道结构，即主机器人向从机器人传递位置信号，从机器人将力信号反馈回主机器人，适用于早期的遥操作系统，透明性不高。随后，Lawrence提出了一个四通道的双边控制结构，主机器人将其速度和操作者施加的力发送给从机器人，操作从机器人运动；从机器人将其速度和与环境的接触力反馈至主机器人，反馈给操作者。但是该双边控制需要大量的传感器用以检测遥操作系统受到的环境力，硬件成本太高，且目前现有的力观测器的估计能力有限，估计速度较慢。传统的波变量控制器存在波反射和位置漂移的现象，很容易产生无法预料的干扰和扰动，降低力矩跟踪的精确性，从而严重影响遥操作系统的透明性能。为了解决无源控制理论过度消耗能量、牺牲透明性来确保系统无源性的问题，提出了时域无源控制法。该方法关键在于设计无源观测器和无源控制器。无源观测器监测通信通道的无源性，而无源控制器去消耗有用功。通过无源观测器监测到耗散功率的正负决定是否触发非无源端口的无源控制器，使得系统产生的能量小于吸收的能量，从而保证通信通道的无源性。早期的时域无源控制法中均监测的是端口处的能量流动情况，也称基于能量的时域无源控制方法。由于时延功率网络的出现，基于功率的时域无源控制方法应运而生，即在端口处不再监测能量的变化情况而是直接监测功率的变化，上述时域无源控制方法虽然保证了在时变时延情况下通信通道的无源性，但是同时也降低了系统的透明性。新兴的基于波变量的时域无源控制法既保证了时变时延情况下通信通道的无源性，又实现了很高的跟踪性能。在实际应用领域中，磁滞非线性现象广泛存在于工业或航空航天领域中，它会降低系统性能甚至破坏系统的稳定性。为了解决这一问题，广大学者对具有未知磁滞参数的非线性系统进行了大力研究，解决了磁滞逆算子的奇异问题，并建立了磁滞非线性模型，忽略其固有的磁滞非线性会影响系统跟踪轨迹的精度。因此迫切需要提出磁滞非线性受限下的遥操作系统的位置跟踪控制策略，从而保证系统的高精度稳定工作。
技术实现思路
本专利技术需要解决的技术问题是提供一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，克服位置漂移导致位置跟踪不精确和波反射导致大信号变化问题，既保证时变时延情况下通信通道的无源性又实现了很高的跟踪性能。解决现有力观测器估计能力有限和估计速度慢的问题，同时消除对力传感器的需求，降低了系统硬件成本。将力信息反馈到控制器设计中，实现对遥操作系统操作和环境外力的有限时间在线补偿，提高了系统的透明性。利用自适应算法去处理磁滞动力学问题，避免了磁滞逆算子的奇异问题。消除磁滞非线性对系统造成的不良影响。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：包括如下步骤：步骤1、建立磁滞非线性受限下的遥操作系统动力学模型；步骤2、分别选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统，分别测量主机器人和从机器人的系统参数；步骤3、实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息，设计基于双层二阶滑模的速度观测误差在有限时间内趋于零点的度观测器，利用等效控制和低通滤波的方法对操作者施加的力和外界环境施加的力进行近似力估计；步骤4、利用李雅普诺夫方程给出速度观测器和力估计参数取值范围，根据实际应用对系统收敛时间的要求来确定速度观测器和力估计参数，将力估计的观测值反馈到控制器设计中；步骤5、通过修正波变量的计算方法设计时变时延下的四通道波变量通信通道；步骤6、通过时域无源控制和自适应控制方法设计四通道双边控制器，消除磁滞非线性对系统造成的不良影响。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤1中，磁滞非线性受限下的遥操作系统的动力学模型为：其中，下标m代表主机器人，s代表从机器人，Mm(qm),Ms(qs)∈Rn×n为系统的正定惯性矩阵；为哥氏力和离心力的向量；Gm(qm),Gs(qs)∈Rn为系统的重力力矩；Fh,Fe∈Rn分别为操作者施加的外力和环境施加的外力；τm(um),τs(us)∈Rn为控制器提供的控制力矩θm,θs是未知正常数，um,us∈Rn代表控制对象的输入，也表示磁滞非线性的输出；本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤2中主、从机器人的系统参数包括：机械臂的长度信息和质量信息，以及根据机械臂的长度和质量信息分别计算出的主机器人和从机器人的惯性矩阵、哥氏力、离心力矩阵和重力项。本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤3中，主机器人的速度有限时间观测器如下：其中，分别表示的估计值；zm1＝[zm11(t),zm12(t),…,zm1n(t)]T∈Rn，zm2＝[zm21(t),zm22(t),…,zm2n(t)]T∈Rn；定义向量zm1,zm2的第i个元素为：其中αm0i,βm0i是给定的正常数；自适应控制律设计为：其中，lm0i是一个足够小的正常数且Lmi(t)＞lm0i＞0；rmi,γmi,δm0,∈mi是给定的正常数；δm(t)＝[δm1,δm2,…,δmn]T；定义主端机器人估计误差得到误差动力学方程：其中，由速度观测器的有限时间收敛性得到根据等效控制理论得到切换项补偿fmi(t)，即假设|fmi(t)|＜a0i,成立，其中，正常数a0i,a1i是未知有界的；利用低通滤波方法，得到：其中，足够小的时间常数σmi是给定的正常数；操作者施加到主机器人的力估计为：同理，从机器人的速度观测器为：外界环境施加到从机器人的力估计为：本专利技术技术方案的进一步改进在于：步骤4中，选取李雅普诺夫函数如下其中，ei(t)＝a1i/(amiβm0i)-rmi(t)，为安全裕度且满足ami＜1/βm0i＜1,0＜amiβm0i＜1；Pi为正定矩阵；主机器人速度观测器和力估计的取值条件满足如下条件其中，0＝[∈01,∈02,,∈0n]且∈0i为正常数；从机器人速度观测器和力估计的方法与主机器人速度观测器和力估计的方法相同。本专利技术技术方案的进一步改进在于：所述步骤5中，引入修正波变量的计算方法，设计时变时延下的四通道波变量通信通道的具体步骤包括：主机器人的位置和速度通过设计的时变时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：/n步骤1、建立磁滞非线性受限下的遥操作系统动力学模型；/n步骤2、分别选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统，分别测量主机器人和从机器人的系统参数；/n步骤3、实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息，设计基于双层二阶滑模的速度观测器，保证其速度观测误差在有限时间内趋于零点，利用等效控制和低通滤波的方法对操作者施加的力和外界环境施加的力进行近似力估计；/n步骤4、利用李雅普诺夫方程给出速度观测器和力估计参数取值范围，根据实际应用对系统收敛时间的要求来确定速度观测器和力估计参数，将力估计的观测值反馈到控制器设计中；/n步骤5、通过修正波变量的计算方法设计时变时延下的四通道波变量通信通道；/n步骤6、通过时域无源控制和自适应控制方法设计四通道双边控制器，消除磁滞非线性对系统造成的不良影响。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1、建立磁滞非线性受限下的遥操作系统动力学模型；
步骤2、分别选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统，分别测量主机器人和从机器人的系统参数；
步骤3、实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息，设计基于双层二阶滑模的速度观测器，保证其速度观测误差在有限时间内趋于零点，利用等效控制和低通滤波的方法对操作者施加的力和外界环境施加的力进行近似力估计；
步骤4、利用李雅普诺夫方程给出速度观测器和力估计参数取值范围，根据实际应用对系统收敛时间的要求来确定速度观测器和力估计参数，将力估计的观测值反馈到控制器设计中；
步骤5、通过修正波变量的计算方法设计时变时延下的四通道波变量通信通道；
步骤6、通过时域无源控制和自适应控制方法设计四通道双边控制器，消除磁滞非线性对系统造成的不良影响。


2.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，其特征在于：所述步骤1中，磁滞非线性受限下的遥操作系统的动力学模型为：



其中，下标m代表主机器人，s代表从机器人，Mm(qm),Ms(qs)∈Rn×n为系统的正定惯性矩阵；为哥氏力和离心力的向量；Gm(qm),Gs(qs)∈Rn为系统的重力力矩；Fh,Fe∈Rn分别为操作者施加的外力和环境施加的外力；τm(um),τs(us)∈Rn为控制器提供的控制力矩



θm,θs是未知正常数，um,us∈Rn代表控制对象的输入，也表示磁滞非线性的输出；

。


3.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，其特征在于：所述步骤2中主、从机器人的系统参数包括：机械臂的长度信息和质量信息，以及根据机械臂的长度和质量信息分别计算出的主机器人和从机器人的惯性矩阵、哥氏力、离心力矩阵和重力项。


4.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法，其特征在于：步骤3中，主机器人的速度有限时间观测器如下：



其中，分别表示的估计值；zm1＝[zm11(t),zm12(t),…,zm1n(t)]T∈Rn，zm2＝[zm21(t),zm22(t),…,zm2n(t)]T∈Rn；
定义向量zm1,zm2的第i个元素为：



其中



αm0i,βm0i是给定的正常数；
自适应控制律设计为：



其中，lm0i是一个足够小的正常数且Lmi(t)＞lm0i＞0；rmi,γmi,δm0,∈mi是给定的正常数；δm(t)＝[δm1,δm2,…,δmn]T；
定义主端机器人估计误差得到误差动力学方程：



其中，
由速度观测器的有限时间收敛性得到



根据等效控制理论得到切换项补偿fmi(t)，即



假设成立，其中，正常数a0i,a1i是未知有界的；
利用低通滤波方法，得到：



其中，足够小的时间常数σmi是给定的正常数；
操作者施加到主机器人的力估计为：

<...

【专利技术属性】
技术研发人员：华长春，王艺潞，杨亚娜，陈光博，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13