本发明涉及一种基于环境阻抗模型的时延遥操作机器人自适应控制方法，属于机器人控制技术领域。
背景技术：
由于危险环境的恶劣条件，通过操作者去完成作业任务，危险性极高而且成本很高，通过机器人代替人去完成作业任务，是实现远程作业的主要方式。然而操作者所处位置与远端环境之间通讯时延的存在使得遥操作系统的稳定性降低，降低了系统透明性，给操作者远程操作机器人造成极大困难。
在大多遥操作系统中，我们对机器人所要去执行的任务是提前设定的，要交互的环境对象多为已知的，如空间遥操作的插销如孔、回收卫星碎片，都是结构化的交互对象，可以定义为结构化环境。当前的遥操作多是在结构化环境下作业的，特点是通讯时延确定，环境对象动力学属性、尺寸、形状已知，而环境对象的实时位置主要由传感器检测获得，极易产生测量误差。在此情况下，由于操作者依据存在位置误差的几何模型进行操作，容易做出错误的判断和操作。
中国专利号为201010265872.2的发明专利公开了一种基于主从参考模型的遥操作机器人自适应控制方法，包括：主边回路，从边回路以及通讯时延环节，主边回路由操作者、主机器人和主边环境模型构成，从边回路由环境、从机器人、从边环境模型、模型参数修正模块和模拟时延模块构成。从边环境模型提供参考力信号，与环境反馈的力信号输入模型参数修正模块进行比较，利用其误差，输出可调增益pc(τ)，pc(τ)从模型参数修正模块中输出，经过通讯时延环节后调节主边环境模型，由主边环境模型为操作者提供反馈力信号，同时，可调增益pc(τ)经过模拟时延模块后调节从边环境模型，不断的进行循环，主边环境模型和从边环境模型就不断地逼近真实的环境模型，形成克服时延影响的遥操作，并且使系统获得稳定的控制，然而该专利方法主要依据从边环境模型修正主边环境模型，对小时延下的操作有效，随着时延的增大，其效果会逐渐减弱，在较大时延的情况下，即使主边环境模型与从边环境模型不断逼近，仍会造成危险操作。
技术实现要素：
发明目的：本发明是在时延遥操作环境下，针对环境几何建模存在误差问题，提出了一种基于环境阻抗模型的时延遥操作机器人自适应控制方法，实现系统稳定运行。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于环境阻抗模型的时延遥操作机器人自适应控制方法，包括主端机器人(2)、主端环境几何模型(3)、环境阻抗模型(4)、时延通讯环节(5)、从端环境几何模型(6)、位置修正计算环节(7)、从端机器人(8)、真实环境(9)，环境阻抗模型(4)与真实环境(9)一致，主端环境几何模型(3)与从端环境几何模型(6)存在位置偏差，设t为控制系统的时间变量，T为通讯时延环节的时延量，包括以下步骤：
步骤1，操作者(1)通过主端机器人(2)发出主端位置信号xm(t)，所述主端位置信号xm(t)分别输入主端环境几何模型(3)、环境阻抗模型(4)和时延通讯环节(5)，环境阻抗模型(4)产生阻抗模型输出力信号fm(t)，所述环境阻抗模型(4)为：
其中，fm(t)表示阻抗模型输出力信号，t为控制系统的时间变量，k为环境模型的弹性系数，xm(t)表示主端位置信号，n为环境模型的表面几何系数，b为环境模型的模型系数，表示xm(t)的导数；
所述阻抗模型输出力信号fm(t)经过时延通讯环节(5)时延1T后形成延迟1T的阻抗模型输出力信号fm(t-T)进入位置修正计算环节(7)；
步骤2，所述主端位置信号xm(t)经过时延通讯环节(5)时延1T后形成从边位置信号xm(t-T)，从边位置信号xm(t-T)进入从端环境几何模型(6)形成从端控制位置信号xc(t-T)，从端环境几何模型(6)为：
xc(t)＝Re(t+T)xm(t)；
其中，xc(t)表示从端控制位置信号，Re(t+T)表示可调增益；
所述从端控制位置信号xc(t-T)输入从端机器人(8)，使从端机器人(8)运动并产生环境位置信号xe(t-T)，作用于真实环境(9)，产生真实环境输出力信号fe(t-T)，所述真实环境为：
fe(t)表示真实环境输出力信号，xe(t)表示环境位置信号；
所述真实环境输出力信号fe(t-T)进入位置修正计算环节(7)，位置修正计算环节(7)依据经过时延通讯环节(5)后的阻抗模型输出力信号fm(t-T)及真实环境输出力信号fe(t-T)输出可调增益Re(t-T)，所述的可调增益Re(t-T)输入从端环境几何模型(6)，从端环境几何模型(6)依据可调增益Re(t-T)修正从端环境几何模型(6)，将修正后的从端环境几何模型(6)用于下一周期的控制；
步骤3，操作者(1)通过主端机器人(2)发出新主端位置信号xm(t-2T)，所述新主端位置信号xm(t-2T)分别输入主端环境几何模型(3)、环境阻抗模型(4)和时延通讯环节(5)，环境阻抗模型(4)产生新阻抗模型输出力信号fm(t-2T)；
步骤4，所述新主端位置信号xm(t-2T)经过时延通讯环节(5)时延1T后形成新从边位置信号xm(t-3T)，所述新环境阻抗模型输出力信号fm(t-2T)经过时延通讯环节(5)形成时延1T后的新环境阻抗模型输出力信号fm(t-3T)进入位置修正计算环节(7)，所述新从边位置信号xm(t-3T)进入修正后的从端环境几何模型(6)形成新从端控制位置信号xc(t-3T)，所述新从端控制位置信号xc(t-3T)输入从端机器人(8)，使从端机器人(8)运动并产生新环境位置信号xe(t-3T)，作用于真实环境(9)，产生新真实环境输出力信号fe(t-3T)，所述新真实环境输出力信号fe(t-3T)进入位置修正计算环节(7)，位置修正计算环节(7)依据经过时延通讯环节(5)后的时延1T后的新环境阻抗模型输出力信号fm(t-3T)及新真实环境输出力信号fe(t-3T)输出新可调增益Re(t-3T)，所述的新可调增益Re(t-3T)输入修正后的从端环境几何模型(6)，修正后的从端环境几何模型(6)依据新可调增益Re(t-3T)修正新从端环境几何模型(6)，将修正后的新从端环境几何模型(6)用于下一周期的控制；
步骤5返回步骤1；
重复以上步骤，实现从端环境几何模型(6)逐步逼近主端环境几何模型(3)，并实现自适应控制。
所述可调增益Re(t)的产生方法为：
所述真实环境输出力信号fe(t)，环境阻抗模型输出力信号fm(t)，位置修正计算环节(7)的控制率为β表示增益率，e(t)表示广义误差，具体步骤如下：
第一步，设定增益率β＝0.01—2；
第二步，根据输入到位置修正计算环节(7)的真实环境输出力信号fe(t)和环境阻抗模型输出力信号fm(t)，得到广义误差e(t)；
e(t)＝fe(t)-fm(t)；
第三步，利用控制率公式，计算出Re(t)。
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过从端环境几何模型逼近主端环境几何模型的方式，有效地克服了大时延带来的不稳定性问题。
(2)本发明在遥操作系统中，通过主从端力反馈信号的差异来修正真实环境几何模型，促使主从端环境一致性，提高了遥操作系统的控制准确性。
(3)本发明所采用的控制方法，具有计算量小，算法复杂度低等优点。
附图说明
图1为本发明的基于环境阻抗模型遥操作机器人系统控制图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于环境阻抗模型的时延遥操作机器人自适应控制方法，如图1所示，包括：操作者1、主端机器人2、主端环境几何模型3、环境阻抗模型4、时延通讯环节5、从端环境几何模型6、位置修正计算环节7、从端机器人8、真实环境9，环境阻抗模型4与真实环境9一致，主端环境几何模型3与从端环境几何模型6存在位置偏差，设t为控制系统的时间变量，T为通讯时延环节的时延量。
结构化环境下，已知时延通讯环节5存在时延，设T为时延通讯环节5的时延量，仿真环境中，T＝1s，在结构化环境中，真实环境阻抗模型提前设定，可以建立准确的环境阻抗模型4，而主端环境几何模型3基于初始传感器检测设定，存在误差，从端环境几何模型6为真实环境几何模型，因此，主端环境几何模型3与从端环境几何模型6存在偏差，控制过程中，通过不断调整可调增益参数，使得从端环境几何模型6逼近主端环境几何模型3，最终主从端几何模型都与真实环境模型一致。
具体步骤如下：
步骤1，操作者1通过主端机器人2发出主端位置信号xm(t)，所述主端位置信号xm(t)输入主端环境几何模型3，然后输入环境阻抗模型4，环境阻抗模型4产生阻抗模型输出力信号fm(t),即
其中，fm(t)表示阻抗模型输出力信号，t为控制系统的时间变量，k为环境模型的弹性系数，xm(t)表示主端位置信号，n为环境模型的表面几何系数，b为环境模型的模型系数，表示xm(t)的导数，所述阻抗模型输出力信号fm(t)经过时延通讯环节5时延1T后形成fm(t-T)进入位置修正计算环节7。
步骤2，所述的主端位置信号xm(t)经过时延通讯环节5时延1T后形成从边位置信号xm(t-T))，所述从边位置信号xm(t-T)进入从端环境几何模型6形成从端控制位置信号xc(t-T)，即
xc(t)＝Re(t+T)xm(t)，
其中，xc(t)表示从端控制位置信号，Re(t+T)表示可调增益。
所述从端控制位置信号xc(t-T)输入从端机器人8，使从端机器人8运动并产生环境位置信号xe(t-T)，作用于真实环境9，产生真实环境输出力信号fe(t-T)，即
其中，fe(t)表示真实环境输出力信号，xe(t)表示环境位置信号。
所述真实环境9输出力信号fe(t-T)进入位置修正计算环节7，位置修正计算环节7依据经过时延通讯环节5后的fm(t-T)及真实环境9输出的力信号fe(t-T)输出可调增益Re(t-T)，位置修正环节7中计算可调增益Re(t)所采用的算法为基于梯度法的自适应律，假设环境阻抗模型4的输出力fm(t)与真实环境输出的力信号fe(t)之差为e(t)，采用的自适应律为β为调整率，其取值范围为0.01-2，仿真中β＝0.2具体步骤如下：
第一步，设定增益率β，设β＝0.01—2，
第二步，根据位置修正计算环节7两个输入fe(t)和fm(t)，得到广义误差e(t),
e(t)＝fe(t)-fm(t)，
第三步，利用控制率公式，计算出Re(t)。
可调增益Re(t-T)输入从端环境几何模型6，从端环境几何模型6依据Re(t-T)，修正从端环境几何模型6，得到新从端环境几何模型6，进入下一周期的控制，
步骤3，操作者1通过主端机器人2发出新主端位置信号xm(t-2T)，所述新主端位置信号xm(t-2T)输入主端环境几何模型3，然后输入环境阻抗模型4，环境阻抗模型4产生新阻抗模型输出力信号fm(t-2T)。
步骤4，所述的新主端位置信号xm(t-2T)经过时延通讯环节5时延1T后形成新从边位置信号xm(t-3T)，所述新环境阻抗模型输出力信号fm(t-2T)经过时延通讯环节5延1T后形成新环境阻抗模型输出力信号fm(t-3T)进入位置修正计算环节7，所述新从边位置信号xm(t-3T),进入新从端环境几何模型6形成新从端控制位置信号xc(t-3T)，所述新从端控制位置信号xc(t-3T)输入从端机器人8，使从端机器人8运动并产生新环境位置信号xe(t-3T)，作用于真实环境9，产生新真实环境输出力信号fe(t-3T)，所述新真实环境输出力信号fe(t-3T)进入位置修正计算环节7，位置修正计算环节7依据经过时延通讯环节5后的新环境阻抗模型输出力信号fm(t-3T)及新真实环境输出力信号fe(t-3T)输出新可调增益Re(t-3T)，所述的新可调增益Re(t-3T)输入修正后的从端环境几何模型6，修正后的从端环境几何模型6依据新可调增益Re(t-3T)对修正后的从端环境几何模型6进行进一步的修正，进而将修正后的新从端环境几何模型6用于下一周期的控制。
步骤5返回步骤1。
以此循环，实现从端环境几何模型6逐步逼近主端环境几何模型3，并实现自适应控制。
本发明通过真实环境交互力反馈与主端环境阻抗模型输出力信号，自适应地调整真实端环境几何模型状态(根据主端模型修正从端环境模型，并根据位置修正调整指令输出)，来使得主从端环境最终趋于一致，充分克服大时延的消极影响，达到稳定准确的操作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。