力反饋遙操作機器人的雙邊控制方法研究.pdf

1、遙操作機器人系統(tǒng)是一種本地人的智能與遠處的機器人的適應性相結合的技術，它可以使從機器人跟隨由人操控的主機器人的運動，并將從機器人與環(huán)境的接觸力反饋給主邊的操作者，該技術的核心被稱為雙邊控制。具有良好雙邊控制能力的遙操作機器人可以廣泛用于核放射環(huán)境、空間探索、微創(chuàng)手術和納米操作等尖端領域，具有非常重要應用價值和社會意義，是當前機器人研究領域的熱點之一。本文針對遙操作機器人雙邊控制中的參數(shù)整定、變負載控制和變時延控制等問題進行了深入的理論研

2、究與分析，并以實驗室的遙操作機器人實驗系統(tǒng)為平臺進行了實驗驗證。
　　 本文首先給出了遙操作機器人系統(tǒng)的動力學模型和運動學模型，這是進行雙邊控制算法研究的基礎。對遙操作控制性能中的穩(wěn)定性和透明性進行了闡述，并且對時延造成遙操作系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因進行了理論分析。給出了遙操作機器人系統(tǒng)的通用控制目標，為控制器的設計提供了依據(jù)。
　　 針對基本的比例雙邊控制算法進行了研究，該算法是以阻尼介入的方法來確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定，因此其控制

3、參數(shù)必須滿足一定的條件才可以實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，這就為參數(shù)的整定問題帶來了挑戰(zhàn)。摒棄了傳統(tǒng)的工程試湊法，我們利用遺傳算法來進行參數(shù)的整定，并給出了方法步驟以及代價函數(shù)的公式。該方法利用遺傳算法良好的優(yōu)化能力，對控制器中各個參數(shù)進行確定。根據(jù)所提的方法，我們對不同的時延情況進行仿真，取得了理想的效果。
　　 針對比例雙邊控制算法中無法進行變負載控制的問題，本文對自適應控制以及自適應控制在機器人學中的應用進行了研究，提出了利用基于Lya

4、punov穩(wěn)定性理論的參考模型自適應控制的思想來解決遙操作雙邊控制中的變負載問題。為了確保控制器的穩(wěn)定性，本文對控制器的自適應機構進行了無源分析和線性化，設計了合適的控制器和自適應律。最后，對所提算法進行了仿真，結果表明了該方法的有效性。
　　 針對變時延對于遙操作系統(tǒng)的影響問題，我們對波變量在遙操作雙邊控制中的作用進行了研究。本文對波變量理論進行了闡述，并對基于波變量在遙操作機器人系統(tǒng)穩(wěn)定性進行了分析。在此基礎上，本文波變量和

5、自適應控制相結合，提出了基于波變量的單邊自適應變時延雙邊控制算法。該算法通過調(diào)整波阻抗來克服變時延的影響，并且自適應機構使得從機器人擁有變負載的能力。仿真結果表明該方法正確、有效。
　　 為了對三種算法進行實驗驗證，本文設計并構建了一套遙操作機器人實驗系統(tǒng)。該遙操作機器人實驗系統(tǒng)使用Force Dimension公司的Omega.7手控器作為主機器人，使用Barrett公司的WAM7自由度機器人作為從機器人，并在WAM機器人的末

6、端配備了六維力傳感器測量從機器人與環(huán)境的相互作用力。另外，該系統(tǒng)使用Linux+Xenomai實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，確保了控制的實時性。主從邊之間的通信鏈路由無線以太網(wǎng)構建。該遙操作機器人系統(tǒng)將作為進行遙操作雙邊控制實驗的平臺。根據(jù)遙操作機器人系統(tǒng)控制的需要，我們對作為主機器人的手控器和作為從機器人的機械臂分別進行的運動學和動力學的分析。對于從機器人的冗余自由度的問題，我們使用“結構控制”的方法加以解決。接著，本文對異構遙操作機器人

7、系統(tǒng)的運動學和動力學控制問題進行了研究，介紹了虛擬同構化的方法，該方法可以使我們在異構遙操作的基于笛卡爾空間控制之外又多了一種選擇。
　　 以該遙操作機器人實驗系統(tǒng)為平臺，本文對三種算法分別在自由運動和碰撞運動兩種情況下，以及各算法各自特有的控制目標進行了實驗，證明了三種算法的正確性和有效性。另外，本文設計了兩種實驗形式對所提三種控制算法的控制效果進行了比較實驗。在路徑跟蹤實驗和抓取插孔實驗兩種實驗中，由十五名志愿者分別對這三種