双边力反馈遥操作系统控制方法研究

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随着科学技术的发展,机器人已经越来越多的被应用到航天,工业,医疗,教育等各个领域。遥操作系统将人类的灵活性纳入系统中,有效的扩展了人类的操作性和机器人的适应性。特别是双边力反馈遥操作系统,它强调了遥操作系统中操作者与系统之间、系统与环境之间的作用力,可以使操作者仿佛置身工作现场,从而能完成复杂而精细的工作任务。在双边遥操作系统中,主要的控制难点集中在三个方面,时延对系统性能的负面影响,机器人系统本身的复杂度对控制难度的提升,以及其他限制条件对系统的影响。本文针对以上问题对多自由度的双边力反馈遥操作系统控制方法进行了研究。对时变时延条件下主从同构机器人的遥操作系统,在不对主从机器人的速度进行测量的情况下,提出了一种改进的基于比例+阻尼的控制方法,保证了系统在满足指定条件下的稳定性,同时应用Lyapunov-Krasovskii方法证明了其可行性。在控制器参数给定的情况下,基于文中所得稳定条件,可以进一步求得确保系统稳定的时延上限。通过一个典型的仿真实验验证了方法的可行性。针对主端为并联型触觉设备,从端为串联型六自由度机器人的主从异构式遥操作系统,推导了其主端并联型机械臂的运动学和动力学方程。同时,考虑时变时延对系统稳定性的影响,提出了一种更具普适性的基于任务空间的PD+阻尼的控制方法,保证了系统的稳定性,并应用Lyapunov-Krasovskii方法证明了其可行性。最后通过本文设计的仿真系统验证了所提出方法的可行性。利用现有的主端为HD2并联型触觉设备,从端为Denso六自由度串联型机器人的遥操作实验平台,在有时延和无时延条件下,分别对本文提出的算法进行了测试,验证了算法的有效性。
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