具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及机器人遥操作系统控制技术。本发明针对非线性遥操作系统中时变时延产生的主从机器人位置信号和力信号传输延迟导致主从机器人之间的位置误差和力误差的问题，公开了一种具有时变时延的非线性遥操作系统的位置和力跟踪控制系统，提高系统的跟踪性能，确保系统的稳定性。本发明的技术方案是，具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统，包括操作者模块、主机器人控制器、主机器人、通信通道、从机器人控制器、从机器人和环境模块。本发明能够有效解决非线性遥操作系统中时变时延产生的主从机器人位置信号和力信号传输延迟问题，提高系统的位置和力跟踪准确性。
【专利说明】具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人遥操作系统控制技术，特别涉及具有通信时延的遥操作系统的控制系统。
【背景技术】
[0002]遥操作系统广泛应用于深空、深海探索，微创手术，核辐射物管理、远程康复治疗等各种人类难以直接到达的环境模块。位置和力跟踪是遥操作系统最重要的性能要求，即要求从机器人必须能够准确地跟踪主机器人的位置，与此同时操作者模块可以准确地得到从机器人与环境模块的交互力的反馈。
[0003]由于主机器人和从机器人的物理位置之间通常都有一定距离，因此他们之间的通信通道中不可避免地存在着时延。通信时延对遥操作系统有很大的负面影响，它会降低系统的位置和力跟踪的准确性，甚至引起系统不稳定。因此需要采用有效的控制方法，对遥操作系统中的时延问题加以补偿。
[0004]文献[“Transparency in Time-Delayed Systems and the Effect of LocalForce Feedback for Transparent Teleoperation，，(H.Z.Keyvan and E.S.Septimiu, IEEETransaction on Robotics and Automation, 2002, 18 (I): 108-114)]首次对具有时延的遥操作系统的位置和力跟踪性能进行了研究，但是针对的是线性遥操作系统。文献《基于真实力反馈的四通道双边遥操作控制系统》(中国发明专利申请号:201210349978.X)中针对具有时延的非线性遥操作系统设计了一种控制方法以满足系统的位置和力跟踪性能，但是针对的是常数时延。文献[“Synchronization of bilateral teleoperators with timedelay” (Chopara N.Chopra, M.ff.Spong and R.Lozano, Automatica, 2008, 44, 2142 - 2148)]针对具有时变时延的非线性遥操作系统提出了相应的控制方案，但是只考虑了系统的位置跟踪性能，不能确保系统的力跟踪性能。在现实应用中，所设计出的遥操作系统的控制系统应该能够适用于非线性遥操作系统，能够对系统通信通道中时变的时延加以补偿，而且能够同时确保系统的位置跟踪性能和力跟踪性能。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题，就是针对非线性遥操作系统中时变时延产生的主从机器人位置信号和力信号传输延迟导致主从机器人之间的位置误差和力误差的问题，提供一种具有时变时延的非线性遥操作系统的位置和力跟踪控制系统，提高系统的跟踪性能，确保系统的稳定性。
[0006]本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统，包括操作者模块、主机器人控制器、主机器人、通信通道、从机器人控制器、从机器人和环境模块；
[0007]所述通信通道的前向时变时延为Tm(t),反向时变时延为Ts(t);主机器人的位置Qffl(t)、主机器人的速度⑴、操作者模块与主机器人的交互力τ h(t)，通过通信通道分别变为qm(t_Tm(t))、--,,Α-C(O)、xh(t-Tffl(t))传输给从机器人控制器；从机器人的位置qs(t)、从机器人的速度屯(?)、从机器人与环境模块的交互力τ e(t)，通过通信通道分别变Sqs(t_Ts(t))、q (,-'/:(,))、xh(t-Ts(t))反馈给主机器人控制器；
[0008]所述主机器人控制器的输入包括主机器人的位置qm(t)、主机器人的速度<--,(0、操作者模块与主机器人的交互力τ h(t)、从机器人通过通信通道反馈的位置qs(t_Ts(t))、反馈的速度、.(/-CW)、反馈的从机器人与环境模块的交互力\(t_Ts(t));主机器人控制器输出的控制力Tm(t)；
[0009]所述从机器人控制器的输入包括从机器人的位置qs(t)、从机器人的速度<1⑴、从机器人与环境模块的交互力τ εα)、主机器人通过通信通道传输的位置qm(t-Tm(t))、传输的速度1(/-7::,,(/))、传输的操作者模块与主机器人的交互力Th(t_Tm(t));从机器人控制器输出的控制力Ts(t)；
[0010]所述主机器人控制器输出的控制力τ m(t)满足关系式:
【权利要求】
1.具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统，包括操作者模块、主机器人控制器、主机器人、通信通道、从机器人控制器、从机器人和环境模块； 所述通信通道的前向时变时延为Tm(t)，反向时变时延为Ts(t);主机器人的位置qm(t)、主机器人的速度I⑴、操作者与主机器人的交互力h(t)，通过通信通道分别变Sqm(t-Tm(t))、4?(〖-7；(/))、xh(t-Tffl(t))传输给从机器人控制器；从机器人的位置qs(t)、从机器人的速度?,(?)、从机器人与环境的交互力τ e(t)，通过通信通道分别变为qs(t-Ts(t))、^G —乃⑴)、xh(t-Ts(t))反馈给主机器人控制器； 所述主机器人控制器的输入包括主机器人的位置qm(t)、主机器人的速度ιω、操作者与主机器人的交互力Th(t)、从机器人通过通信通道反馈的位置qs(t_Ts(t))、反馈的速度7:.(/))、反馈的从机器人与环境的交互力Te(t_Ts(t));主机器人控制器输出的控制力 T111U)； 所述从机器人控制器的输入包括从机器人的位置qs(t)、从机器人的速度<1⑴、从机器人与环境的交互力τ e(t)、主机器人通过通信通道传输的位置qm(t_Tm(t))、传输的速度AnXt - Τ,Λ1 ))、传输的操作者与主机器人的交互力τ h(t-Tm(t));从机器人控制器输出的控制力τ s(t)； 所述主机器人控制器输出的控制力τπα)满足关系式: τ?,(0 = PJq,,, (t) — q' (t — T ⑴))+ Dm (q?,(i) — α、(Oqv (t — Ts (/)))
+Κ?Α,? ⑴ + F,n (τ,.,⑴-(t - Ts ⑴))+ τ,.,⑴ 其中，Pm > O为主机器人的位置误差系数；Dm > O为主机器人的速度误差系数；Km > O为主机器人的速度系数；Fm > O为主机器人的力误差系数；a s⑴是与Ts⑴的变化率有关的一个可变增益； 所述从机器人控制器输出的控制力ts (t)满足关系式:
T, (t) = P (q,⑴ -TJ O)) + ⑴-am (r)q,? (t - TJt))) +d ⑴ + F'^T,-TJt)))+ Tr(t) 其中，Ps > 0为从机器人的位置误差系数；DS > O为从机器人的速度误差系数，且Ds=Dm ；Ks > O为从机器人的速度系数；FS > O为从机器人的力误差系数；a m(t)是与Tm(t)的变化率有关的一个可变增益。
2.根据权利要求1所述的具有时变时延的非线性遥操作系统位置和力跟踪控制系统，其特征在于:通信通道的反向时变时延Ts(t)，其变化率f⑴满足关系式1⑴，通信通道的前向时变时延Tm⑴，其变化率之⑴满足关系式:<(0 = 1-之(O。
【文档编号】B25J3/00GK103831831SQ201410100599
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】刘霞, 董秀成 申请人:西华大学