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基于网络的遥操作机器人,可以实现对远端机器人的远程操作,它拓展了人类的作业空间,在远程医疗、空间作业、工业合作生产等领域都有着广泛的应用前景。无论从实际应用前景或者理论研究意义来看,这方面的研究都具有巨大的研究价值,并富有挑战性。除了大规模的分布式系统的实现本身所存在的各种问题外,还要克服网络任意时变时延、丢包以及乱序等现象所带来的稳定性、透明度以及控制设计等问题。
本文首先介绍了本课题的研究背景和意义、遥操作机器人系统在国内外的研究和发展趋势,以及在遥操作机器人系统的研究中所存在的问题和解决的方案。
其次,介绍了基于网络的遥操作机器人系统的构成及工作原理,进而对具有代表性的单自由度遥操作机器人系统进行了动力学建模,然后从分析系统的动力学方程入手,构造适当的Lyapunov V函数,并据此来分析时变时延下系统的处于约束运动状态下的稳定性。
然后,针对Internet对遥操作机器人系统的影响,对网络通讯时延进行了分析和研究,用Visual C++软件编写了一个测试时延的软件,完成了对网络通讯时延的测试,并且提出了减小时延对遥操作系统影响的解决方案,即对时延进行仿真,解决时延的丢包,乱序和抖动的问题。
接着,针对遥操作系统主从端之间存在变化的网络通讯时延对系统性能的影响,研究了滑模变结构控制(SMC)算法在遥操作机器人系统中的应用,运用饱和函数来解决滑模变结构所存在的抖振问题,仿真实现了遥操作系统主从端之间位置和力的跟踪。
紧接着,结合对遥操作系统的控制要求,引入模糊理论,提出了一种新的模糊滑模控制器(FSMC)的设计方法,本文将利用模糊规则,建立基于等效控制和切换控制的模糊系统,更好的解决抖振问题。
最后,构建了一套单自由度遥操作机器人实验系统,在该实验系统上实现了网络环境下固定时延和随机时延的模拟,并在模拟时延的基础上实现了单自由度遥操作机器人系统力和位置的跟踪控制。
研究结果表明:本文研究的新型的模糊滑模控制算法具有很好的控制效果和强鲁棒性。利用缓冲技术模拟得到的固定时延和随机时延在遥操作机器人实验系统中得到了很好的应用。实验系统给实验人员提供了真实的网络环境,为将来在Internet上进行机器人遥操作打下了良好的基础.