一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统，涉及遥操作机器人系统控制技术领域。包括：以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型；设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。本发明专利技术可以减少通信通道中的数据交互，减少通讯负担，更大程度的节省资源，在带宽有限的情况下使得主从端之间进行更有必要的信息交互。间进行更有必要的信息交互。间进行更有必要的信息交互。

【技术实现步骤摘要】
一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及遥操作机器人系统控制
，尤其涉及一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统。

技术介绍

[0002]遥操作机器人系统通过将人所在的主端的命令和行为传输并作用在远端，从而实现对远端环境的操作和控制，可极大地提高操作者的安全性和工作效率，节约成本，更高效合理地利用资源。一个典型的遥操作系统由一个操作者、一个主机器人、通信通道、一个从机器人和远程环境组成。由于操作的便利性，遥操作系统在太空探索、勘探、医疗、国防等领域有着广泛的应用。但是，随着任务复杂性的增加，从端依赖单个机器人很难完成任务。因此，研究单主多从遥操作系统是十分必要的。
[0003]遥操作机器人系统是利用Internet网络对主从端的机器人进行数据和状态的实时交互传输，但是网络传输会出现一系列的问题，包括数据丢失、延时、数据包混乱等情况。除此之外，在实际的生产中，通信带宽是有限的，很难完成繁重快速的信息交互，所以在通信带宽有限的情况下，研究如何进行有选择的信息交互，从而节省计算资源是很有必要的。近些年来，针对通信带宽有限的问题，多种方法被提出，使得遥操作机器人系统在带宽有限的情况下实现跟踪或同步问题，如调度协议，时间触发机制，事件触发机制等。
[0004]在往常对单主多从或多主多从遥操作系统的研究中，通常假设系统中所有机械手允许同时使用网络并发送(或接收)数据，使得系统中机械手同时发起通信时容易造成“数据冲突”。为了防止数据冲突的发生，我们希望只能有限数量的从服务器同时访问网络，在许多实际情况下，通信是由一个称为协议的调度规则协调的，通过该规则可以正确地调度网络资源。一般来说，我们常用的通信协议有Round
‑
Robin(RR)协议、Try
‑
Once
‑
Discard(TOD)协议、随机通信协议(Stochastic Communication Protocol，SCP)等等。(Li Y,Liu K,He W,et al.Bilateral teleoperation of multiple robots under scheduling communication[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2020,28(5):1770
‑
1784)设计了时变时延下的基于RR和TOD调度协议通信的两种控制方案。这种方法虽然可以实现遥操作系统的主从同步，但仍然存在大量的传输数据冗余，浪费系统资源。
[0005]在实际应用中，通信通常发生在数字网络上，信息会以离散的时间间隔进行交换。因此，为减少通信负担，实现按“需”传输，对事件触发采样机制的研究是有必要的，此时，在采样期间，信号保持不变，只有在满足触发条件(系统需要)即触发时刻，传输主从位置的采样信号，在确保系统性能的同时，不但可以减少信息同步的传输量，还能更大限度的利用有限带宽。

技术实现思路

[0006]本专利技术基于事件触发采样机制和TOD协议，提出了一种主从同步的自适应控制策略，从而解决通信约束下遥操作机器人系统的主从同步问题。
[0007]为解决上述专利技术目的，本专利技术提供的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，该方法适用于电子设备，方法步骤包括：
[0009]S1、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0010]S2、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型；
[0011]S3、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0012]优选地，步骤S1中，以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器，包括：
[0013]获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；
[0014]根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；
[0015]根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。
[0016]优选地，获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数，包括：
[0017]获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
[0018][0019]其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...N；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，M
m
(q
m
),M
si
(q
si
)∈R
n
×
n
是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，G
m
(q
m
),G
si
(q
si
)∈R
n
表示系统的重力力矩，f
m
,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τ
m
,τ
si
∈R
n
是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。
[0020]优选地，根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：
[0021]定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：
[0022][0023]其中，x
m
,x
si
分别是主从观测器的输出，α
m
,α
si
,β
m
,β
si
,κ
m
,κ
si
是正常数，T
m
(t),T
s
(t)分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号
对于时变时延T
m
(t),T
s
(t)：
[0024]满足：0≤T
j
(t)≤d
j
,其中，d
j
,p
j
是正整数，j＝m,s。
[0025]优选地，步骤S2中，基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型，包括本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，其特征在于，所述方法步骤包括：S1、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；S2、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型；S3、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器，包括：获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数，包括：获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...N；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，M
m
(q
m
),M
si
(q
si
)∈R
n
×
n
是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，G
m
(q
m
),G
si
(q
si
)∈R
n
表示系统的重力力矩，f
m
,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τ
m
,τ
si
∈R
n
是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：其中，x
m
,x
si
分别是主从观测器的输出，α
m
,α
si
,β
m
,β
si
,κ
m
,κ
si
是正常数，T
m
(t),T
s
(t)分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号对于时变时延T
m
(t),T
s
(t)：
满足：其中，d
j
,p
j
是正整数，j＝m,s。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型，包括：基于所述时间序列，对于每个k∈N，获得访问通信网络的活跃从机器人应满足下述公式(3)：其中，Q
i
表示加权矩阵，η
i
表示传输误差，表示获得通信网络访问权限的从机器人，则，根据下述公式(4)计算从端的传输数据：其中，表示从端向主端传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉玲，李晨曦，董洁，王海娟，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：