一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，包括主机器人、线性控制器、非线性控制器、编码器、通讯网络、解码器、执行机构以及从机器人，所述线性控制器、非线性控制器的一端与主机器人连接，线性控制器、非线性控制器的另一端与编码器连接，编码器通过通讯网络与解码器连接，解码器与执行机构、从机器人依次连接，所述从机器人与主机器人连接，本实用新型解决了遥操作机器人系统中存在的随机马尔科夫跳变问题和编码器、解码器的输出参数不匹配问题。
【专利说明】
一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，属于遥操作机器人 系统随机控制技术以及网络化控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 遥操作机器人系统是一个复杂的、强耦合、时变非线性系统。它由操作者，主、从机 器人、通信环节组成且受到外界复杂环境等影响。通常，它由操作者对主机器人进行操作， 发送运行指令，并经传输网络传送到从机器人端，让从机器人依照指令开展相关工作。迄今 为止，遥操作机器人系统已在多个领域，如空间探索、海洋开发、远程医疗等广泛采用。遥操 作机器人系统的相关研究也变得如火如荼。
[0003] 混合关节结构上包括一个离合器和一个制动器。随着离合器工作状态的模式切 换，机器人系统结构也发生相应的变化。通常将这种嵌入混合关节的机器人系统称为混合 驱动机器人系统。与全驱动机器人系统相比，混合驱动机器人系统在节省能源、减少机构冗 余等方面有较为明显的优势。将其嵌入传统的遥操作机器人系统会极大地提高遥操作机器 人系统的工作能力与效率。
[0004] 信道带宽限制是遥操作机器人系统不可避免的主要问题之一。数据量化是解决这 一难题的有效途径之一。自2001年以来，大量信号量化领域的文章在国内外主流科技期刊 杂志上的刊登有力地促成了网络系统量化反馈控制问题的研究。这些理论成果为遥操作机 器人系统的控制研究提供了方法，打开了思路。在实际工程中，如遥操作机器人领域，量化 器的引入也带来了一些新的问题，编码器与解码器不匹配问题是其中较为突出的问题之 〇
[0005] 现有的遥操作机器人系统模型不能很好的刻画因采用混合关节以及量化器等装 置情形下的混合驱动遥操作机器人量化控制系统，进而导致控制方法、以及控制效果都比 较受限。
[0006] 因此，需要一种更好的动态模型描述混合驱动遥操作机器人量化控制系统并提供 相应的控制方法来解决上述问题。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型发明的目的是提供一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，该混 合驱动的遥操作机器人量化控制系统解决了遥操作机器人系统中存在的随机马尔科夫跳 变问题和编码器、解码器的输出参数不匹配问题。
[0008] 为了实现上述发明目的，本实用新型的一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系 统包括主机器人、线性控制器、非线性控制器、编码器、通讯网络、解码器、执行机构以及从 机器人，所述线性控制器、非线性控制器的一端与主机器人连接，线性控制器、非线性控制 器的另一端与编码器连接，编码器通过通讯网络与解码器连接，解码器与执行机构、从机器 人依次连接，所述从机器人与主机器人连接。
[0009] 所述通讯网络采用3G网络或4G网络。
[0010] 所述通讯网络采用WLAN网络。
[0011] 所述执行机构为电动执行器。
[0012] 所述编码器为光电编码器。
[0013] 采用这种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，有以下优点：
[0014] 由于采用了线性控制器，这样解决了遥操作机器人系统中存在的随机马尔科夫跳 变问题；由于采用了非线性控制器，利用主机器人的信息以及编码器的输出参数信息，主要 解决了编码器、解码器的输出参数不匹配问题。本实用新型通过更好的刻画因混合关节装 置以及量化器装置等嵌入的遥操作机器人系统，并给出包含线性控制器与非线性控制器的 控制方案更加有效的实现从机器人对主机器人的轨迹跟踪。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0016]图1是本实用新型结构不意图。
[0017]图2是本实用新型中混合驱动遥操作机器人运动轨迹仿真曲线。
[0018] 图3是本实用新型中混合驱动遥操作机器人速度仿真曲线。
【具体实施方式】
[0019] 图1所示一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，包括主机器人、线性控制 器、非线性控制器、编码器、通讯网络、解码器、执行机构以及从机器人，所述线性控制器、非 线性控制器的一端与主机器人连接，线性控制器、非线性控制器的另一端与编码器连接，编 码器通过通讯网络与解码器连接，解码器与执行机构、从机器人依次连接，所述从机器人与 主机器人连接，从机器人将执行情况传递给主机器人。
[0020] 所述通讯网络采用3G网络或4G网络。
[0021] 所述通讯网络采用WLAN网络。
[0022]所述执行机构为电动执行器。
[0023] 所述编码器为光电编码器。
[0024] 首先，混合驱动的遥操作机器人系统会随着混合关节离合器工作状态的不同而发 生变化，这种变化是随机的，且满足马尔科夫变化规律，这在混合驱动的非遥操作机器人系 统的研究中已经证实，本实用新型专利描述混合驱动的遥操作机器人系统如下公式所示
[0025] i(；) = (/-}(/; ) + A/J(r,+(B{ (rl) + ABl (r,))^(?)+ B2 (r,)(2(u{t)) (1)
[0026] 其中，x(t)为混合驱动的遥操作机器人系统的状态，CO (t)为遥操作机器人特有的 可测外部或内部信息。U(t)为系统的控制输入。分别为机器人系统的系 统矩阵，干扰输入矩阵以及控制输入矩阵，A A(rt)与A Bi(rt)均为系统结构不确定矩阵。rt 是一种数学描述，用于刻画系统模式，符合马尔科夫随机跳变规律。Q(u(t))为经编码器编 码，并经通讯通道传输至从机器人端由解码器解码给出的量化控制输入，其一般形式如下：
[0027] Q{u{t))=Td{i)q (2)
[0028]其中
为编码器编码传送至解码器的输入信号。参数％(t)和U(t)分别为 编码器与解码器的输出参数。所谓的编码器与解码器参数不匹配指的是这两个参数不相等 且不保持同步变化。
[0029]所述的控制装置由计算机或单片机等构成，包括线性控制器和非线性控制器。如 图1所示，整个控制装置设计安装在主机器人端。控制器输出由编码器装置编码，经通讯通 道传输至从机器人端。然后由从机器人端的解码器解码，由执行机构指示从机器人开展各 项工作。
[0030] 所述的线性控制器装置的控制输入描述为：
[0031] UL(t) =Ki(rt)x(t)+K2(rt) w (t) (3)
[0032] 通过定义适当的Lyanpunov函数或泛函，并利用线性矩阵不等式技术及自由权矩 阵技术，可以设计出混合驱动遥操作机器人系统的最优控制器增益矩阵心与心。线性控制器 主要用于解决遥操作机器人系统中存在的随机马尔科夫跳变问题，也可扩展解决某些优化 问题。
[0033] 所述的非线性控制器装置利用主机器人的信息以及编码器的输出参数信息，主要 用于抵消编码器、解码器的输出参数不匹配问题，其结构如下：
[0034] UN(t) = f (x(t),xc,rt) (4)
[0035] 综合所述的两部分控制装置，能够确保混合驱动遥操作机器人量化控制系统（1) 是安全稳定、性能良好的工作。
[0036]为了验证本实用新型的效果，利用Matlab软件编程进行了仿真实验。
[0037] 在图2中，状态^与^分别为主机器人与从机器人的位置，图3中状态^与^则分别 为主机器人与从机器人的速度。由图2与图3可以看出，从机器人的位置和速度均能很好的 跟踪主机器人的位置和速度，即，能够实现系统的控制期望。
[0038] 从上面描述可以看出本实用新型提供方法能够确保混合驱动遥操作机器人量化 控制系统安全稳定、性能良好的工作。
[0039] 本申请中没有详细说明的技术特征为现有技术。上述实施例仅例示性说明本申请 的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精 神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，所属技术领域中具有通常知识者在未脱 离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利 要求所涵盖。
【主权项】
1. 一种混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，其特征在于:包括主机器人、线性控制 器、非线性控制器、编码器、通讯网络、解码器、执行机构以及从机器人，所述线性控制器、非 线性控制器的一端与主机器人连接，线性控制器、非线性控制器的另一端与编码器连接，编 码器通过通讯网络与解码器连接，解码器与执行机构、从机器人依次连接，所述从机器人与 主机器人连接。2. 按照权利要求1所述的混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，其特征在于:所述通 讯网络采用3G网络或4G网络。3. 按照权利要求1所述的混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，其特征在于:所述通 讯网络采用WLAN网络。4. 按照权利要求1所述的混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，其特征在于:所述执 行机构为电动执行器。5. 按照权利要求1所述的混合驱动的遥操作机器人量化控制系统，其特征在于:所述编 码器为光电编码器。
【文档编号】B25J9/16GK205630645SQ201620469498
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】郑柏超, 陈天, 薛艳梅, 傅曦雨
【申请人】南京信息工程大学