【摘 要】
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遥操作技术是一种在远距离跨度的约束下,为实现人与机器人同步交互的需求,通过信息化手段帮助人类实现感知和行为在远端延伸的方式,目前已经在深海、深空探测、核废料处理领域得到广泛的应用。随着操作任务的逐渐复杂化,且受制于单机器人操作能力和操作者自身能力不足的限制,传统的单操作者单机器人(简称单人单机)遥操作的方式已经远远不能满足任务需要。所以,采取多操作者多机器人(简称多人多机)遥操作成为解决这类任务必
【基金项目】
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国家863计划项目(编号:2015AAXXX07等);
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遥操作技术是一种在远距离跨度的约束下,为实现人与机器人同步交互的需求,通过信息化手段帮助人类实现感知和行为在远端延伸的方式,目前已经在深海、深空探测、核废料处理领域得到广泛的应用。随着操作任务的逐渐复杂化,且受制于单机器人操作能力和操作者自身能力不足的限制,传统的单操作者单机器人(简称单人单机)遥操作的方式已经远远不能满足任务需要。所以,采取多操作者多机器人(简称多人多机)遥操作成为解决这类任务必然选择。相比于单人单机的操作模式,多人多机遥操作的控制难度体现在1.多机械臂协同操作约束下系统的控制模式和结构选择受限;2.主从端通信与局部通信并存的多回路特征导致网络环境更为复杂;3.需要在传统遥操作稳定性、透明性的基础上考虑操作的协同性和鲁棒性。本文在前人研究的基础上,针对以上问题对于多人多机遥操作中的位置同步控制与协同控制方法展开研究,主要的研究成果如下:第3章针对变时延条件下多机械臂的协同操作问题,考虑机械臂自身存在动力学参数偏差、未知外力等影响,提出了基于状态预测的自适应模糊控制方法。该方法中构建了一种位置/力矩的双观测器控制结构。位置观测器估计随机网络诱导时延下远端状态信息,消减信息传输时延造成的影响;力观测器通过综合时延估计(TDE)和观测器增益的力估计方法,在降低计算复杂度的同时,实现对外力和不确定动力学项的耦合力矩的估计,并通过自适应模糊控制方法抑制估计偏差的影响,与现有方法相比,本章算法能显著提高主从协同操作的同步效果。第4章针对主从端多回路通信导致的时变时延范围的不确定性,以及模型和加速度信息偏差导致的力矩估计偏差过大的问题,提出了基于Takagi–Sugeno(T-S)模糊观测器和改进混合TDE/观测器增益力估计的位置同步控制方法。该方法在双观测器控制结构的基础上,通过T-S模糊观测器来估计远端非线性低频时延采样信息;而改进力观测器通过辅助模型实现对参数不确定性导致力的估计偏差进行实时补偿,仿真结果显示了同等条件下,力矩估计精度显著提高。本章所提出方法也是首次针对多人多机的多回路通信特性提出的解决方案。第5章针对多人多机遥操作中机械臂受干扰情况下导致内力突变的问题,提出了基于相对位置/作用力的协同控制方法。该方法包含两种控制策略并用以实现位置同步控制和协同控制的平衡。前一策略按照功能将机械臂划分为主机械臂和辅助机械臂,主机械臂通过位置同步控制实现对主操作者的运动跟随,辅助机械臂通过基于相对雅克比矩阵的控制器实现协同操作;后一策略提供了一种基于相对阻抗的力/位混合控制方法,该方法一方面通过设计自适应因子平衡位置同步控制和基于相对作用力的协同控制的关系,另一方面将力矩偏差和外界扰动力矩的耦合项根据其非线性特征进行分别补偿,消减力跟踪误差,最后通过仿真实验对两种控制策略的适用性进行了验证和总结。第6章针对多人多机遥操作中操作对象受干扰情况下多机械臂与操作对象状态快速稳定的问题,提出了一种基于对象状态观测器和改进障碍Lyapunov函数(BLF)的控制方法。考虑协同操作过程中对象形变不可测和机械臂接触点与对象质心距离时变的问题,在分析多机械臂与操作对象力/位置耦合关系的基础上,将控制力根据操作对象状态和各机械臂作用效果的性能要求进行分解,在协同操作过程中物理约束和性能约束的条件下,设计操作对象状态的非线性观测器和基于改进BLF的力/位置模式的控制器,对于操作机械臂的暂态和稳态性能进行约束,进一步利用Lyapunov函数对系统的渐近收敛性以及预定的同步性能进行了严格证明。对比仿真结果验证了所提出的方法能较快消除外界未知扰动对操作对象的影响,实现与主端操作效果的一致性。
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