主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法

技术领域

本发明属于机械手智能控制技术领域，尤其是涉及面向主从式遥控机械手系统中实现主、从机械手力-位置协同一致同步的控制器设计领域，属于遥控机械手控制律设计范畴，具体涉及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。

背景技术

主从式遥控机械手系统是一种人机交互系统，主要用于人类无法到达或者危及人类生命安全的场景，或者通过主从式遥控机械手技术来提高操作效率和控制精度，特别是深海探测、废物处理、空间探测等场合。

在主从式遥控机械手系统中，操作者在本地安全环境下或者实验室环境操作本地主机械手，本地主机械手控制器采集主机械手的位置信息通过控制网络传递至远处从机械手做位置跟踪，同理远端从机械手与操作对象交互力被从机械手控制器采集通过通讯网络传送至本地主机械手控制器作力跟踪，本地主机械手控制器实现操作者施加力与远端从机械手与操作对象交互力的控制匹配，实现主从机械手操作者力与机械手位置一致同步目的。避免了操作者处于远端危险环境中并且完成了操作任务的目的。

主从式遥控机械手系统中的关节摩擦是影响整体结构透明性的重要因素，从机械手端所受环境力比较小时，主端由于摩擦的作用并不能将该作用力完好的反馈给操作者。并且由于主从式遥控机械手一般由减速电机等驱动部件组成，使得系统的摩擦特性存在很大的非线性。机械手关节长度、质量以及运动位置存在测量误差问题，也会给机械手模型设计带来误差，机械手运动过程受到不确定阻力等不确定扰动，对于保证系统全局稳定并实现主从机械手力-位置跟踪的主从式遥控机械手系统控制律设计带来困难。由于不确定性的存在，使得机械手模型无法真实得知，无法通过线性系统的伺服控制理论设计控制器。针对主、从机械手存在关节摩擦、测量不确定、外界不确定干扰造成的主从机械手模型不确定问题，如何使主从式遥控机械手系统控制器设计在保证整体系统稳定性前提下，提高系统的透明性及鲁棒性，将位置、力信号能够同步的在从机械手、主机械手上复现，依然是主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计的整体控制目标。

因此，亟需研发一种针对主从式遥控机械手操作过程中主、从机械手动态模型不确定及外部干扰问题，实现操作过程中柔顺性性能及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对主从式遥控机械手操作过程中主、从机械手动态模型不确定及外部干扰问题，实现操作过程中柔顺性性能及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法，包括如下步骤：

S1、主、从机械手参考阻抗模型设计：

通过主机械手控制器采集主机械手操作力F

式(1)中，M

通过从机械手控制器采集从机械手与操作对象交互力F

式(2)中，M

S2、主、从机械手控制律设计：

为了实现主机械手操作空间位置x

式(3)中，

为了实现从机械手操作空间位置x

式(4)中，

S3、主、从机械手自适应估计律设计，其中：

主机械手自适应估计律设计为：

从机械手自适应估计律设计为：

式(5)中的P

S4、主、从机械手自适应估计律设计，其中：

主机械手干扰上界估计律设计为：

主机械手干扰上界估计律设计为：

式(7)中的a

优选地，式(3)中的η

其中r

优选地，式(4)中的η

其中r

本发明中未加以限定的步骤和参数均可根据现有技术进行常规选择。

本发明的工作原理是，通过建立线性二阶微分方程的参考阻抗模型，主机械手阻抗模型将主机械手将操作者施加力与从机械手与操作对象交互力的差作为输入，从机械手阻抗模型将从机械手与操作对象交互力作为输入，将主、从机械手参考阻抗模型的动态响应期望位置作为主、从机械手末端的操作空间下的位置跟踪目标，并且设计了主、从机械手控制律。通过自适应调节补偿参数的不确定性，针对外部干扰，设计了自适应上界估计率，利用基于滑模控制的自适应律来抑制不确定误差及外部干扰作用，实现了模型不确定性及外部干扰下的鲁棒性能。所设计的控制律不需要准确知道双机械手的准确数学模型，不需要知道主从机械手的不确定干扰上界，只需要保证主、从机械手力测量的准确性、主从机械手位置、关节长度的准确测量，实现主、从机械手力位置跟踪渐进收敛特征。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明针对主、从机械手存在关节摩擦、测量不确定、外界不确定干扰造成的主从机械手模型不确定问题，所设计的控制器具有自适应特征，并且能够抑制外界不确定干扰，可以实现模型不确定条件的鲁棒性能，进而实现主从式遥控机械手系统中主、从机械手力-位置协同一致同步，有利于提高主从式遥控机械手系统控制的稳定性、透明性和鲁棒性，实现操作过程中柔顺性性能。

附图说明

图1为主从式遥控机械手系统控制器设计流程示意图。

图2为主从式遥控机械手系统的控制结构示意图。

图3为主从式遥控机械手系统的受力模型图。

图4为主从式遥控机械手系统的力跟踪曲线图。

图5为主从式遥控机械手系统的机械手操作空间位置、参考位置跟踪仿真曲线图。

图6为主从式遥控机械手系统的参考位置、操作空间位置跟踪曲线图。

图7为主机械手自适应估计律与干扰上界估计律曲线图。

图8为从机械手自适应估计律与干扰上界估计律曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图1～8和实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例

本实施例提出的主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法，针对主从式遥控机械手系统操作过程中主、从机械手动态模型不确定及外部干扰问题，为了实现操作过程中柔顺性性能，保证主从机械手力-位置协同一致同步，设计了基于参考阻抗模型、自适应估计律、不确定干扰上界估计律的自适应控制器，该控制器通过设计主、从机械手参考阻抗模型；主、从机械手控制律；主、从机械手自适应估计律和主、从机械手干扰上界估计律，并通过李雅普诺夫函数证明了控制系统的稳定性。

具体的，如图1、图2所示，本实施例中的主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法包括如下步骤：

S1、主、从机械手参考阻抗模型设计：

通过主机械手控制器采集主机械手操作力F

上式中，M

通过从机械手控制器采集从机械手与操作对象交互力F

式(2)中，M

S2、主、从机械手控制律设计：

将n自由度主、从机械手关节空间非线性动力学模型描述为：

上式中，i＝m、s表示主、从机械手标识，q

主、从机械手操作空间与关节空间的换算为：

上式中，i＝m、s表示主、从机械手标识；Ω

结合关节空间非线性动力学模型与操作空间的动力学模型，可得：

为了实现主机械手操作空间位置x

为了实现从机械手操作空间位置x

针对方程

假设n自由度主、从机械手动态方程的M

将τ

由于实际应用中主、从机械手控制器无法保证动态方程参数以及外部干扰信号全部已知，基于τ

其中，

此处τ

根据机械手操作空间与关节空间的转换关系，式τ

在计算从机械手参考位置

式(23)中，

其中，设计-k

由于机械手动力学模型根据未知参数不同，可以线性化表示为：

式(25)中，

式(3)中，

式(4)中，

具体地，主、从机械手控制律参数η

其中是和期望位置和操作空间位置相关的参考变量。

其中r

S3、主、从机械手自适应估计律设计，其中：

主机械手自适应估计律设计为：

从机械手自适应估计律设计为：

式(5)中的P

S4、主、从机械手自适应估计律设计，其中：

主机械手干扰上界估计律设计为：

主机械手干扰上界估计律设计为：

式(7)中的a

优选地，式(3)中的η

其中r

优选地，式(4)中的η

其中r

对实施例中设计方法的验证

针对所设计的主、从机械手控制律，主、从机械手自适应估计律，主、从机械手干扰上界估计律实现主、从机械手力-位置协同一致同步目的，设计李雅普诺夫函数证明系统的稳定性。

证明：选取李雅普诺夫函数为：V

其中，V

/>

其中，

以下为控制器的性能验证仿真实验，不失一般性，以平面二连杆旋转结构作为机械手控制对象。

如图3所示，建立从机械手抓取操作目标的受力模型，只考虑运动位置对F

其中x

如图3所示，设主机械手阻抗模型参数为：M

如图3所示，设定主、从机械手关节摩擦转矩为：

如图3所示，设定不确定干扰上界估计律参数为：a

由图4～图6可知，主、从机械手操作空间位置实现对主、从机械手设定阻抗模型期望位置跟踪，同理实现从机械手对主机械手的关节位置跟踪，在主机械手上操作者施加力与从机械手和操作对象交互力一致同步。在自由空间以及从机械手与操作对象接触空间，从机械手始终保持对主机械手的位置跟踪，主机械手对从机械手的力跟踪、从机械手对主机械手的位置跟踪的二者静态误差均≤5％。当主机械手上操作者施加的操作力释放以后，从机械手依然保证对主机械手的位置跟踪，主机械手与从机械手静止于从机械手与操作对象相接触的临界位置。

由图7～图8可知，主、从机械手的自适应估计律以及干扰上界估计律均有界收敛，满足了所设计控制器使系统鲁棒稳定的特征。

需要补充说明是，图3、图5和图6中的从手均指从机械手，主手均指主机械手。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。