一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法及装置，应用于时延遥操作机器人系统，所述方法包括：步骤一：从机器人与环境接触时，获取环境力；获取从机械手接合处的输出控制力；获取主机械手接合处的输出控制力；根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型；建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型；利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制；本发明专利技术的优点在于：设计的等效闭环动力学系统模型具有闭环指数稳定性和跟踪鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法及装置
本专利技术涉及机器人控制领域，更具体涉及一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法及装置。
技术介绍
基于双机械手的双边遥操作机器人系统可为人类做一些危险而复杂的工作(如远程手术、远程控制等)。遥操作机器人的目标是远程操作环境并实现触觉反馈。近年来，人们对遥操作机器人系统的稳定性准则和控制设计条件进行了大量的研究。为了保证遥操作机器人系统的稳定性，文献NiemeyerG,SlotineJJE.Stableadaptiveteleoperation[J].IEEEJournalofoceanicengineering,1991,16(1):152-162.提出了波动变量的概念。在波动变量的研究中，位置漂移是一个不容忽视的问题，尤其是在接触任务中。在文献TannerNA,NiemeyerG.Onlinetuningofwaveimpedanceintelerobotics[C]//IEEEConferenceonRobotics,AutomationandMechatronics,2004.IEEE,2004,1:7-12.以及文献D’AmoreN,AkinDL.Transparencyandtuningofwave-basedbilateralteleoperationsystems[J].IEEERoboticsandAutomationLetters,2016,2(1):321-328.中，通过波阻抗的在线调谐，对接触任务和自由运动之间的性能进行权衡。然而，当位置控制器仅应用于遥操作机器人系统时，在接触任务中可能存在一些位置跟踪误差。为了减小误差，一些研究者提出了遥操作机器人系统的位置力切换控制策略。文献HsiehHJ,HuCC,LuTW,etal.Evaluationofthreeforce-positionhybridcontrolmethodsforarobot-basedbiologicaljoint-testingsystem[J].Biomedicalengineeringonline,2016,15(1):62.报道了基于机器人的生物关节测试系统的三种力-位置混合控制方法。为了提高力和位置的跟踪性能，文献NagatsuY,KatsuraS.Decouplingandperformanceenhancementofhybridcontrolformotion-copyingsystem[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,64(1):420-431.提出了一种有效的方法，即引入模态空间扰动观测器和混合控制器。然而，对混合系统稳定性的分析很少受到关注。在现实世界中，由于通信信道的时滞，具有力反射的遥操作机器人系统的稳定性和其它性能可能会显著下降。综上所述，现有时延遥操作机器人系统的控制方法及装置存在跟踪鲁棒性较差以及系统稳性较差的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于如何提供一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法及装置，以使控制过程具备闭环指数稳定性以及跟踪鲁棒性。本专利技术通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，应用于时延遥操作机器人系统，所述方法包括：步骤一：从机器人与环境接触时，获取环境力；步骤二：获取从机械手接合处的输出控制力；步骤三：获取主机械手接合处的输出控制力；步骤四：根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型；步骤五：建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型；步骤六：利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制。本专利技术根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型以及建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型，利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制，提供了一种考虑环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力的新的模型，控制过程具备闭环指数稳定性以及跟踪鲁棒性。优选的，所述步骤一包括：利用公式获取环境力，其中，fe为环境力，ke表示环境的刚度，be表示阻尼系数，表示从机械手的位置的一阶导数，we表示预设的未知建模误差。优选的，所述步骤二包括：利用公式获取从机械手接合处的输出控制力，其中，t为时间变量，d(t)表示力控制器的通信延迟；kp表示位置控制器的比例增益，kd表示位置控制器的导数增益；kf为力控制器的比例增益，bf为力控制器的阻尼增益；xs表示从机械手的位置，表示从机械手的位置的一阶导数，xm表示主机械手的位置，表示主机械手的位置的一阶导数，fe表示环境力；fd()是期望力分布且优选的，所述步骤三包括：利用公式θm＝-kmfe(t-d(t))(4)获取主机械手接合处的输出控制力，其中，θm表示主机械手接合处的输出控制力，km表示反馈增益。优选的，所述步骤四包括：利用公式建立时延遥操作机器人系统模型，其中，mm表示主机械手的等效质量，bm表示主机械手接合处的粘性摩擦力，fh表示人的操作力，ms表示从机械手的等效质量，bs表示从机械手接合处的粘性摩擦力，表示主机械手的位置的二阶导数，表示从机械手的位置的二阶导数。优选的，所述步骤五包括：利用公式建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型，其中，x为操作手的位置矩阵，为操作手的位置的一阶导数矩阵，Ai(t)第一系数矩阵、Di(t)为第二系数矩阵，wi(t)为建模误差矩阵，i(t)为索引，[]T为矩阵的转置；当i(t)＝1，当i(t)＝2，本专利技术还提供一种针对时延遥操作机器人系统的控制装置，应用于时延遥操作机器人系统，所述装置包括：第一获取模块，用于从机器人与环境接触时，获取环境力；第二获取模块，用于获取从机械手接合处的输出控制力；第三获取模块，用于获取主机械手接合处的输出控制力；模型建立模块，用于根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型；等效模型建立模块，用于建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型；控制模块，用于利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制。优选的，所述第一获取模块还用于：利用公式获取环境力，其中，fe为环境力，ke表示环境的刚度，be表示阻尼系数，表示从机械手的位置的一阶导数，we表示预设的未知建模误差。优选的，所述第二获取模块还用于：利用公式获取从机械手接合处的输出控制力，其中，t为时间变量，d(t)表示力控制器的通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，应用于时延遥操作机器人系统，所述方法包括：/n步骤一：从机器人与环境接触时，获取环境力；/n步骤二：获取从机械手接合处的输出控制力；/n步骤三：获取主机械手接合处的输出控制力；/n步骤四：根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型；/n步骤五：建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型；/n步骤六：利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，应用于时延遥操作机器人系统，所述方法包括：
步骤一：从机器人与环境接触时，获取环境力；
步骤二：获取从机械手接合处的输出控制力；
步骤三：获取主机械手接合处的输出控制力；
步骤四：根据环境力、从机械手接合处的输出控制力以及主机械手接合处的输出控制力建立时延遥操作机器人系统模型；
步骤五：建立时延遥操作机器人系统模型的等效闭环动力学系统模型；
步骤六：利用等效闭环动力学系统模型对时延遥操作机器人系统进行鲁棒控制。


2.根据权利要求1所述的一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，所述步骤一包括：利用公式



获取环境力，其中，fe为环境力，ke表示环境的刚度，be表示阻尼系数，表示从机械手的位置的一阶导数，we表示预设的未知建模误差。


3.根据权利要求2所述的一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，所述步骤二包括：利用公式



获取从机械手接合处的输出控制力，其中，t为时间变量，dt表示力控制器的通信延迟；kp表示位置控制器的比例增益，kd表示位置控制器的导数增益；kf为力控制器的比例增益，bf为力控制器的阻尼增益；xs表示从机械手的位置，表示从机械手的位置的一阶导数，xm表示主机械手的位置，表示主机械手的位置的一阶导数，fe表示环境力；
fd()是期望力分布且


4.根据权利要求3所述的一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，所述步骤三包括：利用公式
θm＝-kmfe(t-d(t))(4)
获取主机械手接合处的输出控制力，其中，θm表示主机械手接合处的输出控制力，km表示反馈增益。


5.根据权利要求4所述的一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，所述步骤四包括：利用公式



建立时延遥操作机器人系统模型，其中，mm表示主机械手的等效质量，bm表示主机械手接合处的粘性摩擦力，fh表示人的操作力，ms表示从机械手的等效质量，bs表示从机械手接合处的粘性摩擦力，表示主机械手的位置的二阶导数，表示从机械手的位置的二阶导数。


6.根据权利要求5所述的一种针对时延遥操作机器人系统的控制方法，其特征在于，所述步骤五包括：利用公式

【专利技术属性】
技术研发人员：年福东，郭永存，吕刚，秦强，戴淮初，
申请(专利权)人：合肥学院，安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34