CN109108931A - 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法 - Google Patents

基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109108931A
CN109108931A CN201810815338.0A CN201810815338A CN109108931A CN 109108931 A CN109108931 A CN 109108931A CN 201810815338 A CN201810815338 A CN 201810815338A CN 109108931 A CN109108931 A CN 109108931A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mechanical arm
subordinate
principal
matrix
main side
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201810815338.0A
Other languages
English (en)
Inventor
杨瑨
胡凌燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanchang University
Original Assignee
Nanchang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanchang University filed Critical Nanchang University
Priority to CN201810815338.0A priority Critical patent/CN109108931A/zh
Publication of CN109108931A publication Critical patent/CN109108931A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
    • B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Feedback Control In General (AREA)

Abstract

一种基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：1)分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作***。获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵等；2)针对该主从遥操作***，定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率，然后在从端设计齐次型有限时间控制器。本发明的优点：1)从机械手可以准确快速地跟踪主机的轨迹；2)控制器在不牺牲***透明度/保真度的前提下保证了整个遥操作***的稳定性；3)具有良好鲁棒性，适用于具有对称时变时延和不对称时变时延的遥操作***。4)具有良好的抗外部干扰的性能。

Description

基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法
技术领域
本发明属于信息技术领域，涉及遥操作方法。
背景技术
近年来，遥操作技术已广泛应用于航空航天，医药，核电，深海勘探等领域。一个典型的遥操作***主要由五部分组成：操作者，主端机械手，网络通信通道，从端机械手和外部环境。当主端动作信号通过前向通信通道传送给从站，同时传送从端与外部环境的相互作用力通过后向通信通道发送给主端，这被称为双边遥操作***。由于网络延迟，滞后力/运动信号可能使整个遥控***不稳定并降低其力反馈保真度。因此迫切需要提出新的控制策略来解决与遥控操作***中的时间延迟和力反馈相关的稳定性问题。
发明内容
本发明的目的是为双边遥操作***提出了一种新颖的基于齐次型的有限时间控制器。它是一种具有分数指数型的非平滑控制器。这使***具有更快的收敛速度和更好的性能，比整数指数型控制器对干扰的抑制性能更强。采用李亚普诺夫稳定性理论和齐次性理论证明了整个***是全局有限时间稳定的。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，按以下步骤：
步骤1：分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作***。获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵等。
步骤2：针对该主从遥操作***，定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率：
es＝qs-qm(t-Tm)
qs为从端角度，为从端角速度，Tm为主端至从端的网络时延，qm(t-Tm)为主端角度经过Tm时延后的信号，为主端角速度经过Tm时延后的信号。es为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。
在从端设计齐次型有限时间控制器：
其中，Ms(qs)为从端机械臂惯性矩阵，为哥氏力与离心力矩阵，Gs(qs)为重力项矩阵，为主端角加速度信号经过Tm时延后的信号，Ks,Bs,αs,βs均为齐次型有限时间控制器的参数，且Ks＞0,Bs＞0，τs为从端控制器提供的控制力矩。函数定义如下：
sig(x)r＝sign(x)|x|r
sign(x)为符号函数，其定义如下：
与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：1)由于主从端同步误差可以在有限时间内收敛至零，从机械手可以准确快速地跟踪主机的轨迹。2)从机械手和环境之间的相互作用力直接经过网络通道传回并呈现给主端操作者。换句话说，齐次型有限时间控制器在不牺牲***透明度/保真度的前提下保证了整个遥操作***的稳定性。3)齐次型有限时间控制器的遥操作******对于内部***参数不确定性具有良好鲁棒性，齐次型有限时间控制器因此适用于具有对称时变时延和不对称时变时延的遥操作***。4)在齐次型有限时间控制器的作用下，整个***具有良好的抗外部干扰的性能。
附图说明
图1遥操作流程图。
图2齐次型有限时间控制器的遥操作***控制框图。
图3齐次型有限时间控制器作用下主从端关节一角度跟踪。
图4齐次型有限时间控制器作用下主从端关节三角度跟踪。
图5齐次型有限时间控制器作用下从端与外部环境交互力与反馈到人手的力。
图6 PID控制器作用下主从端关节一角度跟踪。
图7 PID控制器作用下主从端关节三角度跟踪。
图8 PID控制器作用下从端与外部环境交互力与反馈到人手的力。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1-2所示，本实施例的步骤如下：
步骤1：分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，其中主端机械臂选用Phantom Premium 1.5A三自由度触觉机械手，从端机械臂选用Denso六自由度机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作***，实验中分别对主从端机械臂第一、三关节控制。获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵，哥氏力与离心力矩阵，重力项矩阵。通过从端机械臂末端安装的六维力传感器实时测量外部环境与从端机械臂的交互力，通过网络通道传至主端使得操作者实时感受真实的力反馈。
步骤2：针对遥操作***设计从端齐次型有限时间控制器。
首先给出基于关节空间的主从端遥操作机械臂动力学方程：
式中，为关节角度，为关节角速度，为关节角加速度，代表惯性矩阵，代表离心力与哥氏力矩阵，代表重力项矩阵，Ji代表雅可比矩阵，i＝m,s代表主从端。分别代表人手操作力与环境力。Ts为从端至主端的网络时延。fe(t-Ts)为环境力经过Ts时延后的信号。
定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率：
Tm为主端至从端的网络时延，qm(t-Tm)为主端角度经过Tm时延后的信号，为主端角速度经过Tm时延后的信号。es为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。
通过计算从端惯量矩阵Ms(qs)，哥氏力与离心力矩阵与重力项矩阵Gs(qs)，以及测量延时后的主端角加速度命令信号从端机械臂轨迹跟踪误差es，误差变化率从而设计出从端控制器为：
其中，Ks,Bs,αs,βs为控制器参数，且
实验中，控制器参数选取如下：
Ks＝diag(-1700,-500)(1/s2),Bs＝diag(-1200,-80)(rad/s),αs＝diag(0.3,0.23).
步骤3：实时检测主从端机械臂的关节信息，其中包括主从端关节角度与关节角速度，主端关节角加速度，从而计算出从端控制器提供的控制力矩，保证了整个***的快速收敛性与强鲁棒性。
步骤4：与传统的PID(比例-积分-微分)控制器作用下的结果做对比。
对比图3与图6，图4与图7，可以看出，采用齐次型有限时间控制器，主从端关节角度跟踪精度比传统PID控制器高，且角度收敛速度与鲁棒性均优于PID控制器。

Claims (1)

1.一种基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法，其特征是按以下步骤：
步骤1：分别选取主端触觉机械臂以及从端实际操作机械臂，通过网络通信通道连接组成主从遥操作***；获取从端机械臂的动力学参数，动力学参数包括主从端惯性力矩阵、哥氏力与离心力矩阵、重力项矩阵；
步骤2：针对该主从遥操作***，定义从端机械臂轨迹跟踪误差及误差变化率：
es＝qs-qm(t-Tm)
qs为从端角度，为从端角速度，Tm为主端至从端的网络时延，qm(t-Tm)为主端角度经过Tm时延后的信号，为主端角速度经过Tm时延后的信号。es为从端机械臂轨迹跟踪误差，为从端机械臂轨迹跟踪误差变化率。
在从端设计齐次型有限时间控制器：
其中，Ms(qs)为从端机械臂惯性矩阵，为哥氏力与离心力矩阵，Gs(qs)为重力项矩阵，为主端角加速度信号经过Tm时延后的信号，Ks,Bs,αs,βs均为齐次型有限时间控制器的参数，且Ks＞0,Bs＞0，τs为从端控制器提供的控制力矩。函数sig(x)r,r＝αs,βs定义如下：
sig(x)r＝sign(x)|x|r
sign(x)为符号函数，其定义如下：
CN201810815338.0A 2018-07-24 2018-07-24 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法 Pending CN109108931A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810815338.0A CN109108931A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810815338.0A CN109108931A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109108931A true CN109108931A (zh) 2019-01-01

Family

ID=64863088

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810815338.0A Pending CN109108931A (zh) 2018-07-24 2018-07-24 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109108931A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413984A (zh) * 2020-04-08 2020-07-14 合肥学院 一种针对时延遥操作机器人***的控制方法及装置
CN112621759A (zh) * 2020-12-28 2021-04-09 燕山大学 基于事件触发机制的遥操作***分数阶滑模同步控制方法
CN114310903A (zh) * 2022-01-19 2022-04-12 梅蓉 一种基于双边遥操作的机械手控制方法及***

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2158065B1 (fr) * 2007-06-15 2011-04-20 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Procede de calibration de la position d'un systeme poly-articule, notamment d'un robot
CN105818129A (zh) * 2016-04-12 2016-08-03 华南理工大学 一种基于数据手套的仿人机械手控制***
CN107255922A (zh) * 2017-05-27 2017-10-17 燕山大学 一种基于自适应双层滑模的遥操作***快速力估计方法
CN107450326A (zh) * 2017-08-09 2017-12-08 清华大学深圳研究生院 反步有限时间双边遥操作控制方法及计算机可读存储介质
CN107662195A (zh) * 2017-09-22 2018-02-06 中国东方电气集团有限公司 一种具有临场感的机器手主从异构遥操作控制***及控制方法
CN108227497A (zh) * 2018-01-11 2018-06-29 燕山大学 一种考虑***性能受限下网络化遥操作***的控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2158065B1 (fr) * 2007-06-15 2011-04-20 Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives Procede de calibration de la position d'un systeme poly-articule, notamment d'un robot
CN105818129A (zh) * 2016-04-12 2016-08-03 华南理工大学 一种基于数据手套的仿人机械手控制***
CN107255922A (zh) * 2017-05-27 2017-10-17 燕山大学 一种基于自适应双层滑模的遥操作***快速力估计方法
CN107450326A (zh) * 2017-08-09 2017-12-08 清华大学深圳研究生院 反步有限时间双边遥操作控制方法及计算机可读存储介质
CN107662195A (zh) * 2017-09-22 2018-02-06 中国东方电气集团有限公司 一种具有临场感的机器手主从异构遥操作控制***及控制方法
CN108227497A (zh) * 2018-01-11 2018-06-29 燕山大学 一种考虑***性能受限下网络化遥操作***的控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李世华等: "《非光滑控制理论与应用》", 31 January 2013, 科学出版社 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111413984A (zh) * 2020-04-08 2020-07-14 合肥学院 一种针对时延遥操作机器人***的控制方法及装置
CN111413984B (zh) * 2020-04-08 2022-07-26 合肥学院 一种针对时延遥操作机器人***的控制方法及装置
CN112621759A (zh) * 2020-12-28 2021-04-09 燕山大学 基于事件触发机制的遥操作***分数阶滑模同步控制方法
CN112621759B (zh) * 2020-12-28 2021-12-24 燕山大学 基于事件触发机制的遥操作***分数阶滑模同步控制方法
CN114310903A (zh) * 2022-01-19 2022-04-12 梅蓉 一种基于双边遥操作的机械手控制方法及***

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2022007358A1 (zh) 阻抗控制方法、装置、阻抗控制器和机器人
Li et al. Adaptive formation control of networked robotic systems with bearing-only measurements
CN107807661B (zh) 轨迹控制室内四旋翼无人机编队演示验证平台及方法
CN109100730B (zh) 一种多车协同快速建图方法
CN109108931A (zh) 基于齐次理论有限时间收敛的遥操作控制器的设计方法
Loianno et al. Flying smartphones: Automated flight enabled by consumer electronics
CN108362294B (zh) 一种应用于自动驾驶的多车协同建图方法
CN106647257B (zh) 一种基于正交最小二乘的前馈控制方法
CN106313044A (zh) 一种工业机器人前馈力矩补偿方法
CN110362075B (zh) 一种具有预设性能的无人艇输出反馈编队控制设计方法
Gupta et al. Overview of networked control systems
He et al. Point‐LIO: Robust High‐Bandwidth Light Detection and Ranging Inertial Odometry
Nguyen et al. LIRO: Tightly coupled lidar-inertia-ranging odometry
CN111260751B (zh) 基于多传感器移动机器人的建图方法
CN110989682B (zh) 基于单基站的无人机精准降落方法
CN108663939A (zh) 考虑通讯丢包的uuv集群水平面路径跟踪控制方法
CN109839894B (zh) 一种双边遥操作***的控制方法
WO2020063878A1 (zh) 一种处理数据的方法和装置
TWI444073B (zh) Location and Tracking of Low Complexity Decentralized Message Transmission with Multiple Heterogeneous Data Fusion
WO2023082050A1 (zh) 一种基于双层滤波框架的高精度里程估计方法
Fink et al. Nonlinear dynamic image-based visual servoing of a quadrotor
CN110751123A (zh) 一种单目视觉惯性里程计***及方法
CN113076634B (zh) 一种多机协同无源定位方法、装置及***
CN112650217B (zh) 一种基于评估函数的机器人轨迹跟踪策略动态优化方法
CN113570716A (zh) 云端三维地图构建方法、***及设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190101