CN108500983B - 一种非线性遥操作双边控制*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人控制技术领域。本发明公开了一种非线性遥操作双边控制***,解决了遥操作***受到干扰时的控制问题。本发明的非线性遥操作双边控制***,包括操作者模块、受干扰影响的主机器人、主机器人滑模控制器、通信通道、受干扰影响的从机器人、从机器人滑模控制器、环境模块;主机器人的位置xm、操作者与主机器人之间的交互力fh经通信通道传送给从机器人滑模控制器;从机器人的位置xs、从机器人与环境之间的交互力fe经通信通道反馈给主机器人滑模控制器。本发明能够有效解决非线性遥操作***受到的干扰问题,提高遥操作***的位置和力跟踪性能。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域,涉及一种非线性遥操作双边控制***。特别涉及受干扰影响的主、从机器人双边控制***。
背景技术
遥操作***广泛应用于各种人类无法直接到达或进入的环境,如太空和海底探索、微创手术、建筑和林业中的挖掘、核废弃物管理、地雷排除、火灾救援、远程医疗和远程康复训练等。
文献[“Sliding-mode controller for bilateral teleoperation withvarying time delay”(J.H.Park and H.C.Cho,IEEE Int.Conf.Adv.IntellectualMech.,Atlanta,GA,USA,1999:311–316)]在遥操作***的从机器人端采用了滑模控制以实现从机器人在有限时间内对主机器人的位置跟踪。文献[“Observer-based sliding modeimpedance control of bilateral teleoperation under constant unknown timedelay”(García-Valdovinos,L.G.,V.Parra-Vega,and M.A.Arteaga,Robot.Auton.Syst.,2007,55(8):609–617)]采用了滑模控制与全阶观测器相结合的方法以确保遥操作***的鲁棒跟踪。这些主要针对的是遥操作***中的时延问题(或是时变的时延问题或是未知的常数时延问题)进行控制,而非旨在针对***中的干扰问题进行抑制,并且这些工作中所设计的主机器人控制器与从机器人控制器在结构上不具有对称性和相似性,因而在后期不便于对整个闭环***的性能进行分析。然而遥操作***受到的干扰问题严重危害着其位置和力的跟踪性能。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种非线性遥操作双边控制***,以解决遥操作***受到干扰时的控制问题。
为了实现上述目的,根据本发明具体实施方式的一个方面,提供了一种非线性遥操作双边控制***,包括操作者模块、受干扰影响的主机器人、主机器人滑模控制器、通信通道、受干扰影响的从机器人、从机器人滑模控制器、环境模块;主机器人的位置xm、操作者与主机器人之间的交互力fh经通信通道传送给从机器人滑模控制器;从机器人的位置xs、从机器人与环境之间的交互力fe经通信通道反馈给主机器人滑模控制器;
所述主机器人控制器满足关系式:
其中,Mm为主机器人的惯量矩阵,Bm为主机器人的离心力和科氏力,Gm为主机器人的重力项,为主机器人所受外部干扰的界,△xm是从机器人位置xs与主机器人位置xm的差值,即△xm=xs-xm;sm是从机器人速度与主机器人速度的差值/>加上λ乘以从机器人位置与主机器人位置的差值△xm,即/>λ是正常数;Km是主机器人的力控制增益正常数,sat(.)为饱和函数;fh是操作者与主机器人之间的交互力;fe是从机器人与环境之间的交互力。
可以看出,主机器人控制器输出的控制力fm为:主机器人的惯量矩阵Mm与正常数λ乘以从机器人速度与主机器人速度的差值加上从机器人加速度/>的乘积,加上主机器人的离心力和科氏力Bm与主机器人速度/>的乘积,加上主机器人所受外部干扰的界/>与饱和函数sat(sm)的乘积(/>是从机器人速度与主机器人速度的差值/>加上λ乘以从机器人位置与主机器人位置的差值△xm),加上主机器人的重力项Gm,减去操作者与主机器人之间的交互力fh,加上主机器人的力控制增益正常数Km乘以主机器人的惯量矩阵Mm再乘以操作者与环境之间的交互力fh与从机器人与环境之间的交互力fe之差的乘积。
所述从机器人控制器满足关系式:
其中,Ms为从机器人的惯量矩阵,Bs为从机器人的离心力和科氏力,Gs为从机器人的重力项,为从机器人所受外部干扰的界,△xs是主机器人位置xm与从机器人位置xs的差值,即△xs=xm-xs;ss是主机器人速度与从机器人速度的差值/>加上λ乘以主机器人位置与从机器人位置的差值△xs,即/>Ks是从机器人的力控制增益正常数。
可以看出,从机器人控制器输出的控制力fs为:从机器人的惯量矩阵Ms与正常数λ乘以主机器人速度与从机器人速度的差值加上主机器人加速度/>的乘积,加上从机器人的离心力和科氏力Bs与从机器人速度/>的乘积,加上从机器人所受外部干扰的界/>与饱和函数sat(ss)的乘积(/>是主机器人速度与从机器人速度的差值/>加上λ乘以主机器人位置与从机器人位置的差值△xs),加上从机器人的重力项Gs,加上从机器人与环境之间的交互力fe,加上从机器人的力控制增益正常数Ks乘以从机器人的惯量矩阵Ms再乘以操作者与主机器人之间的交互力fh与从机器人与环境之间的交互力fe之差的乘积。
进一步的,所述主机器人滑模控制器结构与从机器人滑模控制器结构具有对称性和相似性。
本发明的有益效果是,能够有效解决非线性遥操作***受到的干扰问题,提高遥操作***的位置和力跟踪性能。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案,下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图,对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例,都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示,本发明一种非线性遥操作双边控制***,包括操作者模块、受干扰影响的主机器人、主机器人滑模控制器、通信通道、受干扰影响的从机器人、从机器人滑模控制器、环境模块;主机器人的位置xm、操作者与主机器人之间的交互力fh经通信通道传送给从机器人滑模控制器;从机器人的位置xs、从机器人与环境之间的交互力fe经通信通道反馈给主机器人滑模控制器。主机器人滑模控制器结构与从机器人滑模控制器结构具有高度的对称性和相似性。本发明能够有效解决非线性遥操作***受到的干扰问题,提高遥操作***的位置和力跟踪性能,便于后期对整个***的位置和力跟踪性能进行分析。
(1)主机器人滑模控制器设计如下:
其中,Mm为主机器人的惯量矩阵,Bm为主机器人的离心力和科氏力,Gm为主机器人的重力项,为主机器人所受外部干扰的界,△xm是从机器人位置xs与主机器人位置xm的差值,即△xm=xs-xm;sm是从机器人速度与主机器人速度的差值/>加上λ乘以从机器人位置与主机器人位置的差值△xm,即/>λ是正常数;Km是主机器人的力控制增益正常数,sat(.)为饱和函数;fh是操作者与主机器人之间的交互力;fe是从机器人与环境之间的交互力;
(2)从机器人滑模控制器设计如下:
其中,Ms为从机器人的惯量矩阵,Bs为从机器人的离心力和科氏力,Gs为从机器人的重力项,为从机器人所受外部干扰的界,△xs是主机器人位置xm与从机器人位置xs的差值,即△xs=xm-xs;ss是主机器人速度与从机器人速度的差值/>加上λ乘以主机器人位置与从机器人位置的差值△xs,即/>Ks是从机器人的力控制增益正常数。
从主机器人滑模控制器和从机器人滑模控制器两者在结构上具有高度的对称性和相似性。每一个控制器的第一部分实际上也可以看成是涉及主、从机器人之间速度和位置跟踪误差的反馈律,起着位置反馈控制的作用;第二部分用于补偿各自的重力;第三部分用于补偿各自的交互力;第四部分实际上是涉及主、从机器人之间力跟踪误差的反馈控制律。
(3)滑模控制器位置和力跟踪性能的证明
根据上述设计的主、从机器人滑模控制器,选取该非线性遥操作双边控制***的Lyapunov备选函数为:
对V求导数得:
其中,dm和ds分别表示主机器人和从机器人所受的干扰。
由于机器人的惯量矩阵Mm和Ms都是正定矩阵,因此可得:
其中,eigmin(.)表示对应矩阵的最小特征值。
Claims (2)
1.一种非线性遥操作双边控制***,包括操作者模块、受干扰影响的主机器人、主机器人滑模控制器、通信通道、受干扰影响的从机器人、从机器人滑模控制器、环境模块;主机器人的位置xm、操作者与主机器人之间的交互力fh经通信通道传送给从机器人滑模控制器;从机器人的位置xs、从机器人与环境之间的交互力fe经通信通道反馈给主机器人滑模控制器;
所述主机器人控制器满足关系式:
其中,Mm为主机器人的惯量矩阵,Bm为主机器人的离心力和科氏力,Gm为主机器人的重力项,为主机器人所受外部干扰的界,△xm是从机器人位置xs与主机器人位置xm的差值,即△xm=xs-xm;sm是从机器人速度与主机器人速度的差值/>加上λ乘以从机器人位置与主机器人位置的差值△xm,即/>λ是正常数;Km是主机器人的力控制增益正常数,sat(.)为饱和函数;fh是操作者与主机器人之间的交互力;fe是从机器人与环境之间的交互力;
所述从机器人控制器满足关系式:
2.根据权利要求1所述的一种非线性遥操作双边控制***,其特征在于,所述主机器人滑模控制器结构与从机器人滑模控制器结构具有对称性和相似性,便于后期对整个***的位置和力跟踪性能进行分析。
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