一种多优势因子的双人共享遥操作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多优势因子的双人共享遥操作系统，属于空间遥操作领域。
【背景技术】
[0002] 随着空间技术的发展，越来越多的航天器被送入太空，受到太空垃圾的存在，航天 器的寿命受到了很大的影响，所以采用空间机器人对航天器进行修补就成了未来航天技术 发展的趋势之一，但是由于空间机器人本身的智能程度不够，采用遥操作技术，即在人的操 作下下对航天器进行维修就成了解决问题的关键。
[0003]目前的遥操作方式采用单人操作单个空间机器人，虽然这种设计方法能够满足目 前简单任务遥操作的要求，但是由于人的操作存在不稳定性，譬如抖动、或者由于紧张产生 的控制阻抗变化，这都会大大影响到遥操作的操作质量，所以本发明提出一种多优势因子 的双人共享遥操作方法，即由两位操作者对单个空间机器人进行共享操控，从而提高操作 的稳定性和可靠性，并通过调节多个优势因子，满足不同的控制要求。
[0004] 因此本发明相比传统的单主手单从手系统和普通的多主手单从手空间遥操作有 更大的优势：
[0005] (1)采用调节多个优势因子可以兼容单主手单从手和传统的多主手单从手的操作 模式，应用模式更加丰富；
[0006] (2)通过设定不同的优势因子可以分别提高操作者的操作透明度和运动跟随性；
[0007] (3)可以提供遥操作训练、监督训练和演示训练的功能。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于解决上述问题，提供一种多优势因子的双人共享遥操作方法。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下步骤：
[0010] 1)建立主从机器人的动力学模型：
[0011]
[0012] 其中，Fhl和Fh2为第一操作者和第二操作者对第一主机械臂和第二主机械臂的作 用力，^为环境对从端的作用力，F J和F h/分别为操作者的实际控制力，F /为环境的实际 作用力，Zhl、Zh2和Z j别为操作者和环境的阻抗，V hl、Vh2和V j别为操作者和环境作用的 速度变量；
[0013] 在任务空间模型中，建立操作者和环境的动力学模型
[0014]
[0015] 其中，Zml: = Mmls, Zm2: = Mm2S和Zs: = MsS分别表示主从手驱动力的质量模型阻 抗，Vhl、Vh2和V e表示主从手的速度F Ml、Fail2和F为主从手的控制力；
[0016] 2)利用ro控制器设计主从手的控制力：
[0017]
[0018] 其中，Cnil: =BniJKnilZ^Cni2: =Bn^KnVs 和 Cs: =Bs+Ks/s 表示 PD 控制器参数，Zcnil: =Zn^Cnil, Zm2: = Zn^CjP V ed: = Zs+Cs 表示 PD 控制主从动力学，V hld、Vh2d 和 V ed表示两主 手和从手的期望速度，具体表达式为：
[0019]
[0020] 其中，a i、α 2和α 3分别表示共享控制中的优势因子；
[0021] 3)则根据不同的共享程度，求取控制器参数，保证多优势因子的双人共享遥操作 控制方法的稳定。
[0022] 进一步的，步骤3)的具体方法为：
[0023] 将双人系统表示成一种三端口网络的形式
[0024] Y = HU
[0025] 其中，H为混合矩阵，其具体表达式为：
[0026]
[0027] 其中，Y = [Fhl，Fh2, VJ表示网络输出，U = [Vnil, Vni2, -FJ表示网络输入；
[0028] 由此可得：
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] CN 105159070 A ~P 3/6 页
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 根据Raisbeck无源稳定标准，为了保证系统稳定要求满足
[0038] a)Ii11, i = 1，2, 3满足在s右平面中没有极点
[0039] Wku, i，j = 1，2, 3 表示 1?, i，j = 1，2, 3 的留数，且满足条件
[0040]
[0041] c)令Iilj, i，j = 1，2, 3的实数和虚数分别为rij和X i，j = 1，2, 3,且满足条件
[0042]
[0043] 则根据不同的操作任务要求设定优势因子Cii, CiiG [0，l]，i = 1，2, 3,按照式 (5)和式（6)求取控制器参数Mnil, Bnil, Knil，从而保证多优势因子的双人共享遥操作控制方法 的稳定。
[0044] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045] 本发明相比于单人遥操作，通过双人共享控制的方式可以有效的降低由于操作者 肌肉颤抖、操作熟练性和心理因素等造成的操作误差，控制精度更加准确，可靠性更高。其 次，本发明通过设计多个优势因子，可以任务自由调节操作系统的透明性和运动跟随性，其 最优情况下的透明性和运动跟踪效果均优于传统双人共享控制操作。最后，本发明通过 Raisbeck无源稳定标准，给出系统稳定条件，再由稳定条件计算出系统参数，保证系统的绝 对稳定。
【附图说明】
[0046] 图1为本发明多优势因子双人共享控制结构图；
[0047] 图2本发明多优势因子双人共享控制位置与作用力结果图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合附图对本发明做进一步详细的说明：
[0049] 参见图1和图2,本发明一种多优势因子的双人共享遥操作方法，包括以下四个步 骤：
[0050] 1、建立主从机器人的动力学模型：
[0051]
[0052] 其中，Fhl和Fh2为操作者1和操作者2对主机械臂1和主机械臂2的作用力，F e为 环境对从端的作用力，Fj和Fh/分别为操作者的实际控制力，F/为环境的实际作用力，Z hl、 Zh2和L分别为操作者和环境的阻抗，V hl、Vh2和I分别为操作者和环境作用的速度变量。
[0053] 在任务空间模型中，建立操作者和环境的动力学模型
[0054]
[0055] 其中，Zml: = Mmls，Zm2: = Mm2S和Zs: = MsS分别表示主从手驱动力的质量模型阻 抗，Vhl、Vh2和V e表示主从手的速度F Ml、Fail2和F为主从手的控制力，
[0056] 2、控制器设计
[0057] 利用ro控制器设计主从手的控制力
[0058]
[0059] 其中，Cnil: =BniJKnilZ^Cni2: =Bn^KnVs 和 Cs: =Bs+Ks/s 表示 PD 控制器参数，Zcnil:
s表示ro控制主从动力学，V hld、Vh2d和V μ表示两主 手和从手的期望速度，具体表达式为：
[0060]
[0061] 其中，Ql、〇2和α 3分别表示共享控制中的优势因子，则多优势因子的双人共享 遥操作系统的结构图如图1所示。
[0062] 3、控制器稳定条件
[0063] 将双人系统表示成一种三端口网络的形式
[0064] Y = HU
[0065] 其中，H为混合矩阵，其具体表达式为 CN 105159070 A 说明书 5/6 页
[0066]
[0067] 其中，Y = [Fhl，Fh2, VJ表示网络输出，U = [Vnil, Vni2, -FJ表示网络输入。
[0068] 由此可得
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 根据Raisbeck无源稳定标准，为了保证系统稳定要求满足
[0078] I. Ii11, i = 1，2, 3满足在s右平面中没有极点
[0079] 2.1?, i, j = 1，2, 3 表示 1?, i, j = 1，2, 3 的留数，且满足条件
[0080]
(5)
[0081] 3.令Iilj, i，j = 1，2, 3的实数和虚数分别为rij和X V i，j = 1，2, 3,且满足条件
[0082]
[0083] 则根据不同的共享程度（根据操作要求设定优势因子Ql，Qie [0，l]，i = 1，2,3)，按照式（5)和式（6)求取控制器参数Mnil, Bnil, Knil，从而保证多优势因子的双人共 享遥操作控制方法的稳定。取 Mml= Mm2= 0· 5，Bml= Bm2= 2，Kml= Km2= 100, Mhl= Mh2 =0. 2 Bhl= Bh2= 1，Khl= Kh2= 4, Me= 0. 1，Be= 1，Ke= 2,对多优势因子的共享遥操作 方法进行验证，取优势因子分别为α 1= 1，α 2= 〇, α 3= 〇. 5,两主手和从手作用力分别 为.
，则两主手和从手位置和作用力的结果如 图2所示，可以看出主从手之间的位置跟踪性较好，且主手能很好的感受从手的作用力，说 明该方法具有较好的透明性。
[0084] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按 照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种多优势因子的双人共享遥操作方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 建立主从机器人的动力学模型：其中，Fhl和F h2为第一操作者和第二操作者对第一主机械臂和第二主机械臂的作用力， ^为环境对从端的作用力，F J和Fh/分别为操作者的实际控制力，F/为环境的实际作用 力，Zhl、Zh2和Z j别为操作者和环境的阻抗，V hl、Vh2和V j别为操作者和环境作用的速度 变量； 在任务空间模型中，建立操作者和环境的动力学模型其中，Zml: =Mmls，Zm2: =Mm2S和Zs: =MsS分别表示主从手驱动力的质量模型阻抗，Vhl、 Vh2和V e表示主从手的速度F Ml、Fail2和F μ为主从手的控制力； 2) 利用ro控制器设计主从手的控制力：其中，Cnil: = Bm+I^/s，Cni2: = Bn^KnVs 和 Cs: = Bs+Ks/s 表示 ro 控制器参数，Zcnil:= Zn^Cnil, Zm2: = ZniJCn^ V ed: = Zs+Cs表示PD控制主从动力学，V hld、Vh2d和V ed表示两主手 和从手的期望速度，具体表达式为：其中，〇1、〇2和α 3分别表示共享控制中的优势因子； 3) 则根据不同的共享程度，求取控制器参数，保证多优势因子的双人共享遥操作控制 方法的稳定。2. 根据权利要求1所述的多优势因子的双人共享遥操作方法，其特征在于：所述步骤 3)的具体方法为： 将双人系统表示成一种三端口网络的形式 Y = HU 其中，H为混合矩阵，其具体表达式为： LlN 丄UOioyLUU Λ I八 ? j > ·* ζ/? JA其中，Y = [Fhl，Fh2, VJ表示网络输出，U = [Vnil, Vni2, -FJ表示网络输入； 由此可得：根据Raisbeck无源稳定标准，为了保证系统稳定要求满足 a)Ii11, i = 1，2, 3满足在s右平面中没有极点 Wkij, i, j = 1，2, 3表示Iiij, i, j = 1，2, 3的留数，且满足条件c)令Iil j, i，j = 1，2, 3的实数和虚数分别为ri j和X V i，j = 1，2, 3,且满足条件 CN 105159070 A _权利要求书_ _3/3 页 则根据不同的操作任务要求设定优势因子α a ie [〇, 1]，i = 1，2, 3,按照式（5)和 式（6)求取控制器参数Mnil, Bnil, Knil，从而保证多优势因子的双人共享遥操作控制方法的稳 定。
【专利摘要】本发明公开了一种多优势因子的双人共享遥操作方法，通过双人共享控制的方式可以有效的降低由于操作者肌肉颤抖、操作熟练性和心理因素等造成的操作误差，控制精度更加准确，可靠性更高。其次，本发明通过设计多个优势因子，可以任务自由调节操作系统的透明性和运动跟随性，其最优情况下的透明性和运动跟踪效果均优于传统双人共享控制操作。最后，本发明通过Raisbeck无源稳定标准，给出系统稳定条件，再由稳定条件计算出系统参数，保证系统的绝对稳定。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105159070
【申请号】CN201510497032
【发明人】黄攀峰, 鹿振宇, 刘正雄, 孟中杰, 戴沛
【申请人】西北工业大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年8月13日