力反饋遙操作機(jī)器人的雙邊控制方法研究.pdf

1、遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是一種本地人的智能與遠(yuǎn)處的機(jī)器人的適應(yīng)性相結(jié)合的技術(shù)，它可以使從機(jī)器人跟隨由人操控的主機(jī)器人的運(yùn)動，并將從機(jī)器人與環(huán)境的接觸力反饋給主邊的操作者，該技術(shù)的核心被稱為雙邊控制。具有良好雙邊控制能力的遙操作機(jī)器人可以廣泛用于核放射環(huán)境、空間探索、微創(chuàng)手術(shù)和納米操作等尖端領(lǐng)域，具有非常重要應(yīng)用價值和社會意義，是當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。本文針對遙操作機(jī)器人雙邊控制中的參數(shù)整定、變負(fù)載控制和變時延控制等問題進(jìn)行了深入的理論研

2、究與分析，并以實(shí)驗(yàn)室的遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　 本文首先給出了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，這是進(jìn)行雙邊控制算法研究的基礎(chǔ)。對遙操作控制性能中的穩(wěn)定性和透明性進(jìn)行了闡述，并且對時延造成遙操作系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因進(jìn)行了理論分析。給出了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的通用控制目標(biāo)，為控制器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
　　 針對基本的比例雙邊控制算法進(jìn)行了研究，該算法是以阻尼介入的方法來確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此其控制

3、參數(shù)必須滿足一定的條件才可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，這就為參數(shù)的整定問題帶來了挑戰(zhàn)。摒棄了傳統(tǒng)的工程試湊法，我們利用遺傳算法來進(jìn)行參數(shù)的整定，并給出了方法步驟以及代價函數(shù)的公式。該方法利用遺傳算法良好的優(yōu)化能力，對控制器中各個參數(shù)進(jìn)行確定。根據(jù)所提的方法，我們對不同的時延情況進(jìn)行仿真，取得了理想的效果。
　　 針對比例雙邊控制算法中無法進(jìn)行變負(fù)載控制的問題，本文對自適應(yīng)控制以及自適應(yīng)控制在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出了利用基于Lya

4、punov穩(wěn)定性理論的參考模型自適應(yīng)控制的思想來解決遙操作雙邊控制中的變負(fù)載問題。為了確?？刂破鞯姆€(wěn)定性，本文對控制器的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了無源分析和線性化，設(shè)計(jì)了合適的控制器和自適應(yīng)律。最后，對所提算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明了該方法的有效性。
　　 針對變時延對于遙操作系統(tǒng)的影響問題，我們對波變量在遙操作雙邊控制中的作用進(jìn)行了研究。本文對波變量理論進(jìn)行了闡述，并對基于波變量在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，本文波變量和

5、自適應(yīng)控制相結(jié)合，提出了基于波變量的單邊自適應(yīng)變時延雙邊控制算法。該算法通過調(diào)整波阻抗來克服變時延的影響，并且自適應(yīng)機(jī)構(gòu)使得從機(jī)器人擁有變負(fù)載的能力。仿真結(jié)果表明該方法正確、有效。
　　 為了對三種算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用Force Dimension公司的Omega.7手控器作為主機(jī)器人，使用Barrett公司的WAM7自由度機(jī)器人作為從機(jī)器人，并在WAM機(jī)器人的末

6、端配備了六維力傳感器測量從機(jī)器人與環(huán)境的相互作用力。另外，該系統(tǒng)使用Linux+Xenomai實(shí)時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，確保了控制的實(shí)時性。主從邊之間的通信鏈路由無線以太網(wǎng)構(gòu)建。該遙操作機(jī)器人系統(tǒng)將作為進(jìn)行遙操作雙邊控制實(shí)驗(yàn)的平臺。根據(jù)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)控制的需要，我們對作為主機(jī)器人的手控器和作為從機(jī)器人的機(jī)械臂分別進(jìn)行的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的分析。對于從機(jī)器人的冗余自由度的問題，我們使用“結(jié)構(gòu)控制”的方法加以解決。接著，本文對異構(gòu)遙操作機(jī)器人

7、系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)控制問題進(jìn)行了研究，介紹了虛擬同構(gòu)化的方法，該方法可以使我們在異構(gòu)遙操作的基于笛卡爾空間控制之外又多了一種選擇。
　　 以該遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為平臺，本文對三種算法分別在自由運(yùn)動和碰撞運(yùn)動兩種情況下，以及各算法各自特有的控制目標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了三種算法的正確性和有效性。另外，本文設(shè)計(jì)了兩種實(shí)驗(yàn)形式對所提三種控制算法的控制效果進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)。在路徑跟蹤實(shí)驗(yàn)和抓取插孔實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)中，由十五名志愿者分別對這三種