一种融合多信息的变导纳遥操作控制方法
【专利说明】一种融合多信息的变导纳遥操作控制方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于空间机器人领域和远程操作领域，涉及一种融合多信息的变导纳遥操 作控制方法。 【【背景技术】】
[0002] 从上世纪60年代空间机器人开始应用到今天，空间机器人的应用领域在不断地 扩大，同时空间机器人所承担任务的复杂性也在不断增加：从结构化已知环境中的重复性 操作到非结构化未知环境中的非重复性操作，而且其精度要求也越来越高，需要完成一些 诸如运动目标捕获，卫星装配，卫星维修之类的精密任务，同时要求操作者具备灵活且稳 定的操作。考虑操作环境的未知性、操作者行为的不确定性和操作任务的复杂性等因素，空 间机器人需要具备较强的环境适应能力、操作者需要具备操作行为适应性变更能力，并且 操作任务指令可以实时生成和传送。从长远看，能够对环境进行感知、高度自主、能代替人 类从事各种空间作业而不需要人类干涉的智能机器人是空间机器人的最终发展方向，但受 现有技术（传感器技术，人工智能技术，控制技术等）水平的限制，能够在复杂的非结构 环境中全自主工作的智能空间机器人在相当长一段时间内是难以实现的，一个现实的选 择就是从全自主方式转向局部自主方式，即有人参与的机器人局部自主方式，机器人在完 成底层控制方面有优势，能够精确地完成诸如位置控制、力控制这类任务，而人类在智能 决策，异常情况处理等方面有优势。有人参与的机器人局部自主控制方式综合了两者的长 处，可以大大提尚系统的控制精度和对外界的适应能力。另外，提尚任务指令的精确度以 及适应性变更能力也是空间遥操作需要解决的问题。
[0003] -个双向力反馈遥操作系统允许操作者通过接受力反馈在遥远环境中进行复杂 的操作。操作者通过力反馈设备来控制从端的机械手，并通过信息交互通道完成控制信号、 反馈信号及任务指令的接收及发送。遥操作系统中控制器设计的主要目标是提高鲁棒性、 临场感、任务执行度及透明性。理论上，这些目标能够在不失去闭环系统稳定性的前提下同 时得到优化，为此，系统的特征参数比如主从设备的类型、传感器和时延、信道上的数据包 丢失都应在控制器设计上得到考虑。为了实现更高性能的遥操作系统，本发明考虑将环境 因素、操作者行为及任务指令等影响因素进行整合，使系统得到更大的改进。传统空间遥 操作系统中控制器的设计只针对影响遥操作性能的主要因素进行设计，但在实际操作过程 中，环境因素的不可控、操作者行为的不稳定及任务指令的模糊与时延等都是造成操作系 统不稳定的因素，另外，对控制器适应性的设计也是提高系统稳定性的一种方法。 【
【发明内容】
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[0004] 本发明的目的在于解决上述现有技术中的问题，提供一种融合多信息的变导纳遥 操作控制方法，该方法是将环境因素、操作者行为及任务信息整合在一起设计控制器。
[0005] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
[0006] 1)从端环境动力学特性分析及生成反馈信号比：
[0007] 操作者控制手控器对机械臂末端进行操作，首先对从端环境进行动力学特性分 析，使用弹簧阻尼模型表示：
[0008] fe = -(kt, (x, -Λ',) -f ?/(, (,ν )) ( 1)
[0009] 其中，k表示位置参数，L表示速度参数，χs表示从端机械臂末端的实时位置，χ。 表示从端操作对象的起始位置；确定其中的模型参数信息或者在操作者控制机械臂末端进 行操作过程中进行评估；
[0010] 在上述弹簧阻尼模型中加入质量模块构成导纳控制，导纳控制输入力心生成期望 的位置xd和位置修正量SXd，其物理学模型如下：
[0011] /' =mx+dx+k{.\ -,r(!) (2)
[0012] 其中，X。表示操作对象的起始位置，输入力fd和位置控制器用来驱动从端机械臂 到期望的位置；采用使用位置/力控制模式，其中位置信息由主端发送到从端，从端机械臂 执行相应的动作，并反馈力控制信号比，控制系统二阶质量-弹簧-阻尼模型为：
[0013] 十+ (人"十人~.）(x-.、）= /十(3)
[0014] 其中，k&d表示由自由空间操作到接触操作过程中所需的最小阻尼，位置参数I能 够修改环境与从端机械臂的交互频率ω?Ρ阻尼率ξ%则：
[0017] 为了达到期望的阻尼率#，调整主端阻尼dd的大小，dd的适应性表达式为
[0019] 其中，I是位置参数的评估值，需要通过递推最小二乘方法进行评估；
[0020] 2)主端操作者行为建模及生成控制信号Uh:
[0021] 在得到从端环境的反馈信号I；后，需要对主端操作者行为进行建模和辨识，通过 求解手臂位置变化的极小值来建立模型，假设起始、终点处速度为零、加速度为零，从而得 到关于手臂位置的五次多项式：
[0022] X (t) = Xl+ (xf_Xl) (6 τ 5-15 τ 4+1〇τ 3) (7)
[0023]
11、1^、1\11；分别表示初始位置、初始时间、手臂运动时间及终点位 置；
[0024] 将得到的手臂位置参数加入到控制器设计中，即考虑手臂阻抗，同样的由质 量-弹簧-阻尼模型表述：
[0025] ./；,-m,xh Λ-?,χ,+Ι?,χ, (8)
[0026] 其中，kh、dh分别表示位置参数及速度参数，mh为手臂质量；为了获取控制力匕需 要对mh、kh、4进行辨识，其中，手臂质量通过离线辨识，并将其设定为常值；通过改变手臂 的位置参数来进一步改变速度参数：
[0027] ii=akh (9)
[0028] 其中，< 表示导纳控制器的阻尼，α是比例项，|&表示人手臂刚度系数；
[0029] 通过改变控制力的大小及速度方向，区分操作者是加速运动还是减速运动，从而 使控制器阻尼系数在加速/减速过程中相应地减少/增加，使系统保持稳定：
[0030] mxh +d(fhJh)xh =fh+Uh (10)
[0031] 其中，,i,,) =?/,, -a./;,sgn(i/;),队表不主端经过适应控制后发出的控制信号， 参数d。的作用是当无适应性发生时保证系统稳定，a是对适应性的加权；
[0032] 3)获取任务指令T:
[0033] 在获取到反馈信号比及控制信号1^后，控制器阻尼由操作者控制力及环境力决 定，下一步针对操作任务，开始获取任务指令T:如果任务种类未知，通过在遥操作系统中 添加任务辨识功能；另外，遥操作系统中添加有效的辅助作用能够提高操作性能，选取虚拟 夹具作为辅助手段，针对不同操作任务，选取不同的虚拟夹具进行辅助作用；
[0034] 4)由反馈信号Μ空制信号Uh及任务指令T设计控制器：
[0035] 控制器设计中由主端向从端发送控制信号Uh及任务指令T:
[0036] nix+d{fli,x!:)x+(>x=f+Uh +T (11)
[0037] 其中，δX表示机械臂末端位置变化率，作为统计值，δX的变化反应任务不同， := 4sgn(.D，其中加权值α的变化反应主端操作者控制从端机械臂的适应 性，方便操作者执行复杂任务；
[0038] 从端机械臂与未知环境发生作用时会产生相应的反馈信号比，同时结合主端的控 制信号Uh及任务指令Τ进行综合控制：
[0040] 其中，4 -a/sgn(i)，表示自由操作到接触操作所需最小阻尼，Θk 表示从端机械臂的位置参数，同时决定交互频率及阻尼率的大小。
[0041] 本发明进一步的改进在于：
[0042] 所述步骤1)中，确定模型参数信息或者在操作者控制机械臂末端进行操作过程 中进行评估的具体方法为：
[0043] 从端操作对象起始位置Xc]:通过摄像机、激光探测器、视觉追踪测量等测量工具获 取操作对象的位置信息，同时传感器带来的未知因素要根据被评估系统的可靠性在控制器 设计中进行考虑；机械臂末端与操作对象接触过程中，使用辨识技术实时对环境模型参数 进行评估。
[0044] 所述步骤3)中的任务辨识使用隐式马尔可夫模型进行任务辨识。