一种基于主端力缓冲的波变量四通道双边控制方法
【专利说明】一种基于主端力缓冲的波变量四通道双边控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人控制领域，具体涉及一种基于主端力缓冲的波变量四通道双边 控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 遥操作双边控制系统的操作性能主要包括透明性和跟踪性，其中透明性考察操作 者感受从端环境的能力，跟踪性衡量从手跟随主手运动的能力。由于双边控制系统中引入 了通信时延，导致系统对从端的控制始终滞后于主端，如果不采用适当的控制方法就无法 实现在无时延时对主从端同步控制的效果，主从端的相对位置误差也会一直存在，这将直 接影响系统的透明性和跟踪性。因此双边控制系统的操作性能仅仅考虑透明性和跟踪性是 不够的，还应考虑系统主从端的同步性。同步性用来度量遥操作系统中从端实时跟随主端 运动的能力，良好的同步性能够提升系统的透明性和跟踪性，降低通信时延对系统性能的 影响。 【
【发明内容】
】
[0003] 有鉴于此，本发明的目的在于提高遥操作双边控制系统的同步性，提出一种基于 主端力缓冲的波变量四通道双边控制方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
[0005] 第一步:建立双边控制系统在有时延下的动力学模型
[0006] 第二步:提出双边控制系统的同步性概念并定义其定量度量函数
[0007] 第三步:设计主端控制器
[0008] 通过对波变量四通道双边控制结构的主端控制器添加力缓冲单元和补偿单元来 实现主从端同步控制，消除波变换方法对主端控制器超前作用的影响。
[0009] 第四步:分析双边控制系统的主从端同步性
[0010]在本发明提出的同步性指标基础上对所设计的控制系统进行主从端同步性分析。
[0011] 进一步的，第一步中建立双边控制系统在有时延下的动力学模型的具体方法是：
[0012] 考虑单自由度主从端结构，并等效为质量-阻尼系统，其动力学模型如下所示
[0013]
[0014]
[0015] 上式中，Xi为末端位置，mi为质量，bi为黏性系数，Ui为控制输入，i=m，s分别代表 主端和从端，fh为操作者施加给主手的力，为从端所受环境的作用力。
[0016] 考虑到时延的影响，假设前向通道和反向通道的时延都为T，并根据遥操作系统结 构和任务的不同，添加位置和力的比例缩放因素，则有
[0017] Xsd(t)=kpXm(t-T) (3)
[0018] fmd(t)=kffs(t-T) (4)
[0019] 式中，kP、kf分别为位置和力的缩放因子，Xsd为从手跟随的目标位置，f?d为主端接 收到的反馈力， Xm(t_T)为经过时延T之后传递到从端的主手位置，fs(t-T)为经过时延T之后 传递到主端的从端反馈力。
[0020] 进一步的，第二步中双边控制系统的定量度量函数定义如下：
[0021] 同步性定义:双边控制系统的同步性是指从手跟随当前时刻主手运动的能力。 [0022]定时延下力反馈双边控制系统同步性的定量度量函数：
[0023]
[0024] k代表双边控制系统的同步性指标。
[0025] Vm(t)代表主手t时刻的速度。
[0026] Vm(t-T)代表经过时延T之后传递到从端的主手t时刻的速度。
[0027] Vs (t)代表从手t时刻的速度。
[0028] T代表主端到从端的通信时延。
[0029] Fe(t)代表t时刻环境对从手的作用力。
[0030] k的值决定双边控制系统的同步性，其取值范围是0 < k < 1。在此范围内，k的值越 大系统的同步性能越好，k的值越小系统的同步性能越差。当k = 1时表明主从端的运动是完 全同步的，即Vs(t)=Vm(t);当k = 0时表明主从端的运动是完全不同步的，从端的运动依旧 要比主端的运动延迟时间T，即Vs(t)=Vm(t_T)。
[0031 ]进一步的，第三步中主端控制器的设计方法如下：
[0032]在波变量四通道双边控制结构的主端控制器中添加力缓冲单元和补偿单元来实 现主从端同步控制，消除波变换方法对主端控制器超前作用的影响，通信时延波变换环节 以及从端控制器没有变化。
[0033] 主端控制器混合矩阵模型为
[0034]
[0035] 由丰端棹制器樽型得传递矩阵Hm为
[0036]
[0037] Fmd代表主端的控制输入力。
[0038] Fi代表主端控制器的反馈输入信号。
[0039] 1代表主手的移动速度。
[0040] W代表主端波变换的控制输入信号。
[0041 ] T代表通信时延。
[0042] Zm代表主手的阻抗，Zm = MmS，其中Mm为主手的质量。
[0043] Cm代表主手的PD控制器，Cm = Bm+Km/s，其中Bm为主手的黏性系数，Km为主手的刚度 系数。
[0044] &和(：3分别为主端到从端的速度通道和力通道控制参数。
[0045] bw代表波变换的中间波阻抗。
[0046] 进一步的，第四步中双边控制系统的同步性分析方法如下：
[0047] 主从端的位置同步性分析，其本质上也涵盖了对双边控制系统跟踪性能优劣的评 判，理想的控制系统要能实现如下式的控制目标
[0048] xm(t)-Xs(t) =0 (8)
[0049] 该式表明主端和从端的位置始终是保持一致的，但在时延遥操作双边控制系统 中，由于通信时延的存在，从端的位置变化始终滞后于主端的位置变化，即主从端的位置变 化不是同步进行的，操作者也就无法像控制主端一样实时地控制从端的运动，时延下的主 从端位置关系如下式所示
[0050] Xm(t-T)=xs(t) (9)
[0051] 本发明提出的基于主端力缓冲的波变量四通道双边控制方法，就是为了在保证遥 操作双边控制系统稳定的前提下提升主从端的位置同步性能，控制系统的混合矩阵模型为
[0052]
(10)
[0053] Fe代表从手与环境之间的作用力。
[0054] Vs代表从手的移动速度。
[0055] hii、hi2、h2i和h22分别代表传递矩阵的四个参数。
[0056] 由式(10)可知主从端的位置关系如下式所示
[0057] Vs = h2lFmd+h22Vm (11)
[0058] 由控制系统传递矩阵和主端控制器传递矩阵可推导出主从端的位置关系为
[0059]
(12)
[0060] K*代表1的时延项系数。
[0061 ] C4和&分别为从端到主端的速度通道和力通道控制参数。
[0062] C5代表从端控制器的力调节系数。
[0063] Zs代表从手的阻抗，Zs=MsS，其中Ms为从手的质量。
[0064] Cs代表从手的ro控制器，Cs = Bs+Ks/s，其中Bs为从手的黏性系数，Ks为从手的刚度 系数。
[0065]为了保证系统具有良好的操作性能，根据四通道控制结构理想透明性的条件，令 C4=-(Zm+Cm)，& = Zs+Cs，C2和C3为标量增益。
[0066] 式（12)表明主从端的位置变化关系中包含了常数项，主从端位置的同步控制能够 实现，且同步性能指标k的值为
[0067]
[0068]式（13)表明系统的同步性能受主从端控制器模型、中间波阻抗以及控制参数C2、C3 和(：5的影响，因此对于给定的系统可通过调节上述参数来改变同步性能。
[0069] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0070] 提出了定时延条件下力反馈双边控制系统同步性的定量度量函数，使得对双边控 制系统同步性的评价有了具体的数值指标;在波变量四通道双边控制结构的主端控制器中 加入了力缓冲单元和补偿单元，提高了双边控制系统的同步性;通过对同步性指标的分析 得到了波变量四通道双边控制系统中同步性能的影响因素。 【【附图说明】】
[0071] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附 图。
[0072] 图1是本发明实施例所提出的基于主端力缓冲的波变量四通道双边控制方法的流 程示意图
[0073] 图2表示基于