专利名称：网络遥操作机器人系统及时延克服方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人的控制系统及方法，尤其涉及一种基于网络的遥操作机器人的控制系统以及时延克服方法，属于机器人技术领域。
背景技术：
20世纪90代以来，计算机网络技术得到了飞速发展，借助计算机网络、机械电子和传感器等方面的技术把机器人与网络相连，可以实现基于网络的遥操作机器人。网络遥操作机器人可以利用网络作为媒介，连接位于网络两端的操作者和机器人等设备，操作者利用从远端反馈回的声音、图像、位置、力等状态信息，实时对远端机器人进行交互控制，完成生产、实验、探险等操作行为。然而，随着遥操作机器人被广泛应用到空间、深海、工业生产及人民生活的各个领域，在操作者的安全性和工作效率提高的同时，其严重的不足也暴露出来遥操作系统固有 的时延特性影响着系统的正常工作，时延较大或变化时，将大大降低系统的性能，甚至造成不稳定。网络传输时延尤其是大时延和变时延给遥操作机器人带来的影响，主要体现在降低系统的稳定性、透明性。经过几十年的发展，国内外的学者专家们已经提出了不少解决时延问题的方法，目前关于遥操作机器人系统的研究方法主要有三种，即预测控制、远程规划和双边控制。预测控制作为解决遥操作系统时延问题的有效方法，其主要思想是通过在主机器人控制站建立从机器人和环境的虚拟模型，并用虚拟模型对从机械手受力进行预测。当远程从机器人和环境的模型和虚拟模型的模型相同时，操作者对虚拟模型的接触就等同于和真实环境的接触。但是预测控制也有自身的不足之处，它一种基于模型的精确控制方法，需要知道从机械手和环境的精确模型，而且控制算法相对复杂。为了解决预测控制算法复杂的问题，将预测控制与模糊推理相结合，可以将模型模糊化，使控制方法更简单，更符合人们的控制思想，再结合不依赖于时间基于事件的建模方法，可进一步克服时延的影响，提高控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种网络遥操作机器人系统及时延克服方法，优化网络遥操作系统，并解决网络遥操作机器人现存的时延问题。本发明的目的通过以下技术方案予以实现一种网络遥操作机器人系统，由两个结构相同，功能对称的机械手通过网络通讯环节联系在一起。包括主机械臂I、从机械臂2、主计算机3、从计算机4、第一数据采集卡5、第二数据采集卡6、第一单片机7、第二单片机8。所述主计算机3通过第一数据采集卡5采集主机械臂I的位置和力信号，所述从计算机4通过第二数据采集卡6采集从机械臂2的位置和力信号，所述主计算机3和从计算机4通过TCP/IP网络通讯环节将主从机械臂的位置和力信号相互传递，所述主计算机3将控制信号由串口通信传递至第一单片机7，第一单片机7输出PWM脉冲信号控制主机械臂I工作，所述从计算机4将控制信号由串口通信传递至第二单片机8，第二单片机8输出PWM脉冲信号控制从机械臂2工作。一种网络遥操作机器人系统的时延克服方法，包括以下步骤I.建立针对网络时延的基于事件模型以事件变量s代替现有系统中的参考变量一时间T，基于事件的控制中，选取s为机械手走过的距离，设定每当s递增一段距离，产生一个事件，并把当前的状态信息发送给路径管理器；运动参考变量的产生方法经过事件产生器得到反馈事件S，为了使参考事件s跟踪上期望参考事件sd，采用如下算法产生期望的事件输入
权利要求
1.一种网络遥操作机器人系统，其特征在于，由两个结构相同，功能对称的机械手通过网络通讯环节联系在一起；包括主机械臂(I)、从机械臂(2)、主计算机(3)、从计算机(4)、第一数据采集卡(5)、第二数据采集卡(6)、第一单片机(7)、第二单片机(8);所述主计算机(3 )通过第一数据采集卡(5 )采集主机械臂(I)的位置和力信号，所述从计算机(4 )通过第二数据采集卡(6)采集从机械臂(2)的位置和力信号，所述主计算机(3)和从计算机(4)通过TCP/IP网络通讯环节将主从机械臂的位置和力信号相互传递，所述主计算机(3)将控制信号由串口通信传递至第一单片机(7)，第一单片机(7)输出PWM脉冲信号控制主机械臂(I)工作，所述从计算机(4)将控制信号由串口通信传递至第二单片机(8)，第二单片机(8)输出PWM脉冲信号控制从机械臂(2)工作。
2.如权利要求I所述的网络遥操作机器人系统时延克服方法，其特征在于，该方法包含下列步骤 O建立针对网络时延的基于事件模型 以事件变量s代替现有系统中的参考变量一时间T，基于事件的控制中，选取s为机械手走过的距离，设定每当s递增一段距离，产生一个事件，并把当前的状态信息发送给路径管理器； 运动参考变量的产生方法经过事件产生器得到反馈事件S，为了使参考事件S跟踪上期望参考事件Sd，采用如下算法产生期望的事件输入
3.如权利要求2所述的网络遥操作机器人系统时延克服方法，其特征在于，该方法还包括基于模糊推理的反馈校正方法； 控制信号Au(k)由下面两部分组成 Δ u (k) = Δ uGPC (k) + Δ Uf (k) 其中％(k)为模糊推理的得到对误差的补偿控制量； 设e(k)和ec(k)为系统k时刻的反馈偏差和偏差变化值，由于系统存在τ步时延,则uF (k)由 e (k- τ )和 ec (k- τ )确定； 即e (k- τ ) =yr (k_ τ ) -ym (k_ τ ) ec (k-τ)=e(k_ τ)_e(k_ τ) 其中，yjk-τ)为对象输出反馈值，ym(k-T)为对象模型输出值，则uF可由e(k-T)和ec (k- τ )来判断； 模糊补偿控制器的设计将采用如下的控制律将e和ec的论域分别划分为5个模糊集{NB，NS, ZE, PS, PB}和3个模糊集{N，Z，P}，为了得到更准确的预测误差补偿，设定偏差e采用高斯隶属度函数，偏差变化率ec采用三角形隶属度函数，定义模糊规则如下Ri If e is Am and ec is Bn then uF is Ck其中，Ani e {NB, NS, ZE, PS, PB}, Bn e {N，Z，P}，i = 1，2，…，15，uF 为补偿控制输入; 控制规则如下所示
全文摘要
本发明公开了一种网络遥操作机器人系统及时延克服方法，本系统由两个结构相同，功能对称的机械手通过网络通讯环节联系在一起。操作者对主机械手进行操作，使主机械手动作，主机械手通过力和角位移传感器以及通信控制环节将动作信号传递给从机械手，使其能够跟随主机械手同向运动。当从机械手受到环境影响时，能够再原路返回给主机械手，使主机械手也同样感受到环境的作用，再反馈给操作者。本发明采用了基于事件的建模方法和模糊预测控制算法，对模型失配有较好的鲁棒性，使系统克服网络时延所造成的影响。
文档编号B25J9/16GK102825603SQ20121033253
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者曾庆军, 陈静, 王彪, 章飞, 陈伟 申请人:江苏科技大学