本發(fā)明屬于機(jī)器人遙操作系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

遙操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于深空、深海探索、微創(chuàng)手術(shù)、核輻射物管理、遠(yuǎn)程康復(fù)治療等各種人類難以直接到達(dá)的環(huán)境模塊。穩(wěn)定性和透明性是遙操作系統(tǒng)最重要的性能要求，即要求從機(jī)器人必須能夠準(zhǔn)確地跟蹤主機(jī)器人的位置，與此同時(shí)操作者模塊可以準(zhǔn)確地得到從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力反饋，并進(jìn)行有效地控制。

在遙操作系統(tǒng)中主要的難點(diǎn)之一是時(shí)延，由于主從機(jī)器的物理位置之間通常都有一定距離，因此他們之間的通信通道中不可避免地存在著時(shí)延，從而造成有限的數(shù)據(jù)和信息缺失，這對(duì)遙操作系統(tǒng)有很大的負(fù)面影響，它會(huì)降低系統(tǒng)的位置和力跟蹤的準(zhǔn)確性，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此需要采用有效的控制方法，對(duì)遙操作系統(tǒng)中的時(shí)延問題進(jìn)行處理。

與此同時(shí)操作者模塊可以準(zhǔn)確地環(huán)境模塊的交互力反饋，并進(jìn)行有效地控制，是遙操作系統(tǒng)中主要的第二個(gè)難點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，僅僅只考慮遙操作系統(tǒng)的位置跟蹤或是力跟蹤是不足夠的，通常從機(jī)器人為了完成一些復(fù)雜的任務(wù)，必須接觸一些物體或環(huán)境，例如目標(biāo)獲取、在遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)接觸病人以及太空活動(dòng)的在軌維護(hù)等。

文獻(xiàn)[“Transparency in Time-Delayed Systems and the Effect of Local Force Feedback for Transparent Teleoperation”(H.Z.Keyvan and E.S.Septimiu,IEEETransactionon Robotics and Automation,2002,18(1):108-114)]首次對(duì)具有時(shí)延的遙操作系統(tǒng)的位置和力跟蹤性能進(jìn)行研究，但是針對(duì)線性系統(tǒng)且沒有考慮與環(huán)境的接觸力。文獻(xiàn)《具有時(shí)變時(shí)延的非線性遙操作系統(tǒng)位置和力跟蹤控制系統(tǒng)》(中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?01410100599.6)中針對(duì)具有時(shí)變時(shí)延的非線性遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種控制方法以滿足系統(tǒng)的位置和力跟蹤性能，但是沒有對(duì)交互力進(jìn)行控制。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，所設(shè)計(jì)出的遙操作系統(tǒng)應(yīng)該能夠適用于非線性遙操作系統(tǒng)，能夠?qū)νㄐ磐ǖ乐械臅r(shí)延進(jìn)行有效處理，與此同時(shí)操作者模塊可以準(zhǔn)確地得到從機(jī)器人與環(huán)境模塊的交互力反饋，并進(jìn)行有效地控制，從而保證遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定，準(zhǔn)確地跟蹤。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)，借助于束子空間和非約束子空間來(lái)實(shí)施混合控制，提高系統(tǒng)的跟蹤性能，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

—操作模塊，主要用于給主機(jī)器人的主自適應(yīng)控制器輸入一個(gè)主機(jī)器人到達(dá)期望位置的力信號(hào)F_h(t)；

一主自適應(yīng)控制模塊，包括主自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器和主自適應(yīng)控制器；主自適應(yīng)控制模塊是可編程模塊，主要用于計(jì)算作用于主機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_m(t)；

其中，所述的主自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器以主機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)經(jīng)過(guò)反向通道的從機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_s(t-ΔT_s)和速度信號(hào)以及環(huán)境模塊的輸出信號(hào)F_e(t-ΔT_s)共同作為輸入信號(hào)，計(jì)算得到主從機(jī)器人的位置誤差e_m(t)＝q_s(t-ΔT_s)-q_m(t)和主從機(jī)器人的速度誤差

再通過(guò)自適應(yīng)率的方法估計(jì)慣性矩陣H_m的估計(jì)值哥氏力矩陣的估計(jì)值和重力項(xiàng)的的估計(jì)值,其中，為一維未知常數(shù)向量θ_m的估計(jì)值,Λ是對(duì)角常數(shù)矩陣，通過(guò)線性變換求得，()^T表示轉(zhuǎn)置，Γ＝diag(r_i)，r_i＞0，i＝1,2,...,n，n表示任務(wù)空間的自由度；

所述的主自適應(yīng)控制器以作為輸入信號(hào)，結(jié)合主從機(jī)器人的位置誤差e_m(t)和速度誤差計(jì)算出作用于主機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_m(t)，其中，λ和K_m為對(duì)角正常數(shù)矩陣；

一主機(jī)器人，是主端被控對(duì)象，其輸入信號(hào)為力信號(hào)F_h(t)和力矩信號(hào)u_m(t)，輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)

一通信信道，包括前向通道和反向通道；其中，前向通道用于傳輸主機(jī)器人的位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)給自調(diào)整阻抗選擇器模塊，若通信通道的前向定常時(shí)延為ΔT_m，則通過(guò)通信通道分別變?yōu)閝_m(t-ΔT_m)、反向通道用于傳輸從機(jī)器人的位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)以及環(huán)境模塊的輸出的接觸力信號(hào)F_e(t)，反饋給主自適應(yīng)控制器，若通信通道的反向定常時(shí)延為ΔT_s，則通過(guò)通信通道分別變?yōu)閝_s(t-ΔT_s)、F_e(t-ΔT_s)；

一自調(diào)整阻抗選擇器，包括S和I-S兩個(gè)子模塊；其輸入信號(hào)為接觸力信號(hào)F_e(t)、位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)、速度信號(hào)位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)當(dāng)F_e(t)＝0時(shí)，S子模塊的輸出信號(hào)為0；I-S子模塊輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)、速度信號(hào)以及輸出位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)當(dāng)F_e(t)≠0時(shí)，S和I-S兩個(gè)子模塊輸出信號(hào)均為位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)、速度信號(hào)以及從位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)

一從自適應(yīng)控制模塊，包括從自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器和從自適應(yīng)控制器；從自適應(yīng)控制模塊是可編程模塊，主要用于計(jì)算作用于從機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_s(t)；

其中，所述的從自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器以I-S子模塊的輸出信號(hào)作為輸入，計(jì)算得到主從機(jī)器人的位置誤差e_s(t)＝q_m(t-ΔT_m)-q_s(t)和主從速度誤差

再通過(guò)自適應(yīng)率的方法估計(jì)慣性矩陣H_s的估計(jì)值哥氏力矩陣的估計(jì)值和重力項(xiàng)的的估計(jì)值,其中，為一維未知常數(shù)向量θ_s的估計(jì)值,Λ是對(duì)角常數(shù)矩陣，通過(guò)線性變換求得，()^T表示轉(zhuǎn)置，Γ＝diag(r_i)，r_i＞0，i＝1,2,...,n，n表示任務(wù)空間的自由度；

所述的從自適應(yīng)控制器以以及I-S子模塊的輸出信號(hào)作為輸入，結(jié)合主從機(jī)器人的位置誤差e_s(t)和速度誤差計(jì)算出作用于從機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_s(t)，其中，λ和K_s為對(duì)角正常數(shù)矩陣；

一從機(jī)器人阻抗控制器，為可編程模塊，以接觸力信號(hào)F_e(t)、S子模塊的輸出信號(hào)共同作為輸入信號(hào)，由此得到力子空間的誤差信號(hào)e(t)，B_t和k_t是正常系數(shù)對(duì)角矩陣，再結(jié)合誤差信號(hào)e(t)，得到最終的輸出信號(hào)為力矩u_f(t)，

其中，k_f和k_int是正常系數(shù)對(duì)角矩陣；s(t)是滑模面，s(t)＝k_sle(t)，k_sl是滑模增益；表示對(duì)s(t)在t₀到t的積分；

一從機(jī)器人，是從端被控對(duì)象，其輸入信號(hào)為力矩信號(hào)u_s(t)和力矩信號(hào)u_f(t)的疊加信號(hào)，以及環(huán)境模塊的輸出接觸力信號(hào)F_e(t)，其輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)

一環(huán)境模塊，用于反應(yīng)從機(jī)器人在進(jìn)行作業(yè)時(shí)與環(huán)境相接觸程度，其輸入是從機(jī)器人的位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)其輸出信號(hào)是從機(jī)器人與環(huán)境的接觸力信號(hào)F_e(t)。

本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)，通過(guò)自調(diào)整阻抗選擇器來(lái)判定約束子空間和非約束子空間，從而實(shí)施混合控制方案，即：當(dāng)沒有環(huán)境力矩時(shí)，即非約束子空間，這個(gè)閉環(huán)遙操作系統(tǒng)只存在前向通道和反向通道傳輸信號(hào)的時(shí)延問題，此時(shí)從機(jī)器人控制器只需要對(duì)信號(hào)時(shí)延具有魯棒性；當(dāng)存在環(huán)境力時(shí)，即約束子空間，此時(shí)閉環(huán)遙操作系統(tǒng)不僅存在時(shí)延問題，還存在機(jī)器臂遇見阻礙時(shí)產(chǎn)生的力反饋問題，因此，此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)期望的順從運(yùn)動(dòng)的目的，還需要采用滑模阻抗控制方法。最終達(dá)到更加靈活，有效地提高系統(tǒng)的跟蹤性能，并確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目的。

同時(shí)，本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)還具有以下有益效果：

(1)、通過(guò)使用自調(diào)整阻抗選擇器，實(shí)現(xiàn)了靈活選擇控制方案，準(zhǔn)確應(yīng)對(duì)遙操作系統(tǒng)在約束空間和非約束空間里的問題，從而更加有效地提高系統(tǒng)的跟蹤性能。

(2)、當(dāng)從機(jī)器人與環(huán)境接觸時(shí)，從端，采用阻抗控制器和從自適應(yīng)控制器相結(jié)合的混合控制方案，相比只用一個(gè)控制器的方案，從機(jī)器人能更準(zhǔn)確，有效，穩(wěn)定地服從于接觸力，從而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)原理框圖；

圖2是本發(fā)明控制系統(tǒng)主端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明控制系統(tǒng)從端的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是主機(jī)器人和從機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

實(shí)施例

圖1是本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)原理框圖。

在本實(shí)施例中，如圖1所示，本發(fā)明一種時(shí)延力反饋遙控機(jī)器人的自調(diào)整控制系統(tǒng)，包括：操作模塊、主自適應(yīng)控制模塊、主機(jī)器人、通信信道、自調(diào)整阻抗選擇器、從自適應(yīng)控制模塊、從機(jī)器人阻抗控制器、從機(jī)器人和環(huán)境模塊。下面結(jié)合圖1對(duì)各個(gè)模塊的工作流程進(jìn)行詳細(xì)描述，具體如下：

操作模塊，主要用于給主機(jī)器人的主自適應(yīng)控制模塊輸入一個(gè)主機(jī)器人到達(dá)期望位置的力信號(hào)F_h(t)；

主自適應(yīng)控制模塊，包括主自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器和主自適應(yīng)控制器；主自適應(yīng)控制模塊是可編程模塊，主要用于計(jì)算作用于主機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_m(t)；

其中，如圖2所示，主自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器以主機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)經(jīng)過(guò)反向通道的從機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_s(t-ΔT_s)和速度信號(hào)以及環(huán)境模塊的輸出信號(hào)F_e(t-ΔT_s)共同作為輸入信號(hào)，計(jì)算得到主從機(jī)器人的位置誤差e_m(t)＝q_s(t-ΔT_s)-q_m(t)和主從機(jī)器人的速度誤差

再通過(guò)自適應(yīng)率的方法估計(jì)慣性矩陣H_m的估計(jì)值哥氏力矩陣的估計(jì)值和重力項(xiàng)的的估計(jì)值,其中，為一維未知常數(shù)向量θ_m的估計(jì)值,Λ是對(duì)角常數(shù)矩陣，通過(guò)線性變換求得，()^T表示轉(zhuǎn)置，Γ＝diag(r_i)，r_i＞0，i＝1,2,…,n，n表示任務(wù)空間的自由度；在本實(shí)施例中，可用選用matlab中的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)率的擬合；如圖4所示，若主和從采用兩自由度的機(jī)器臂，作為被控對(duì)象，若忽略重力，即G_m＝0則該對(duì)象的其中β，ε，η為常數(shù)，q₁和q₂分別是桿1轉(zhuǎn)過(guò)的角度，桿2轉(zhuǎn)過(guò)的角度，和是對(duì)q₁和q₂求導(dǎo)，從而θ_m＝[α β ε η]^T；

主自適應(yīng)控制器以作為輸入信號(hào)，結(jié)合主從機(jī)器人的位置誤差e_m(t)和速度誤差計(jì)算出作用于主機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_m(t)，其中，λ和K_m為對(duì)角正常數(shù)矩陣；

主機(jī)器人，是主端被控對(duì)象，其輸入信號(hào)為操作模塊輸出的力信號(hào)F_h(t)和主自適應(yīng)控制模塊輸出的力矩信號(hào)u_m(t)，輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)

通信信道，包括前向通道和反向通道；其中，前向通道用于傳輸主機(jī)器人的位置信號(hào)q_m(t)和速度信號(hào)給自調(diào)整阻抗選擇器模塊，若通信通道的前向定常時(shí)延為ΔT_m，則通過(guò)通信通道分別變?yōu)閝_m(t-ΔT_m)、反向通道用于傳輸從機(jī)器人的位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)以及環(huán)境模塊的輸出的接觸力信號(hào)F_e(t)，反饋給主自適應(yīng)控制器，若通信通道的反向定常時(shí)延為ΔT_s，則通過(guò)通信通道分別變?yōu)閝_s(t-ΔT_s)、F_e(t-ΔT_s)；

自調(diào)整阻抗選擇器，包括S和I-S兩個(gè)子模塊；如圖3所示，其輸入信號(hào)為環(huán)境模塊輸出的接觸力信號(hào)F_e(t)，經(jīng)過(guò)正向通道的主機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)和速度信號(hào)以及從機(jī)器人輸出的位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)

自調(diào)整阻抗選擇器滿足：S＝diag(s_i)，i＝1,2,…,n，其中diag()是對(duì)角矩陣，n表示任務(wù)空間的自由度；s_i滿足如下關(guān)系式：

其中，考慮到實(shí)際應(yīng)用中，不可避免存在測(cè)量噪聲和誤差，所以有必要設(shè)置閾值來(lái)裁定從機(jī)器人是否跟環(huán)境有接觸，即設(shè)置的f_th1＞0是閥值上邊界，可以取值為1，f_th2＜0是閥值下邊界，可以取值為-1，sech(·)是雙曲函數(shù)，被定義為其中，e是自然數(shù)；μ₁和μ₂是自調(diào)整選擇器的調(diào)整率；

當(dāng)F_e(t)＝0時(shí)，S子模塊的輸出信號(hào)為0；I-S子模塊輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)、速度信號(hào)以及輸出位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)當(dāng)F_e(t)≠0時(shí)，S和I-S兩個(gè)子模塊輸出信號(hào)均為位置信號(hào)q_m(t-ΔT_m)、速度信號(hào)以及從位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)

從自適應(yīng)控制模塊，包括從自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器和從自適應(yīng)控制器；從自適應(yīng)控制模塊是可編程模塊，主要用于計(jì)算作用于從機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_s(t)；

其中，從自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)器以I-S子模塊的輸出信號(hào)作為輸入，計(jì)算得到主從機(jī)器人的位置誤差e_s(t)＝q_m(t-ΔT_m)-q_s(t)和主從速度誤差

再通過(guò)自適應(yīng)率的方法估計(jì)慣性矩陣H_s的估計(jì)值哥氏力矩陣的估計(jì)值和重力項(xiàng)的的估計(jì)值,其中，為一維未知常數(shù)向量θ_s的估計(jì)值,Λ是對(duì)角常數(shù)矩陣，通過(guò)線性變換求得，()^T表示轉(zhuǎn)置，Γ＝diag(r_i)，r_i＞0，i＝1,2,...,n，n表示任務(wù)空間的自由度；

從自適應(yīng)控制器以以及I-S子模塊的輸出信號(hào)作為輸入，結(jié)合主從機(jī)器人的位置誤差e_s(t)和速度誤差計(jì)算出作用于從機(jī)器人上的力矩信號(hào)u_s(t)，其中，λ和K_s為對(duì)角正常數(shù)矩陣；

從機(jī)器人阻抗控制器，為可編程模塊，主要用于當(dāng)存在環(huán)境力時(shí)，即約束子空間，對(duì)從機(jī)器人實(shí)現(xiàn)混合控制，達(dá)到期望的順從運(yùn)動(dòng)的目的；

從機(jī)器人阻抗控制器，為可編程模塊，以接觸力信號(hào)F_e(t)、S子模塊的輸出信號(hào)共同作為輸入信號(hào)，由此得到力子空間的誤差信號(hào)e(t)，B_t和k_t是正常系數(shù)對(duì)角矩陣，通常分別可以取值20N/s和200N/s，可以根據(jù)具體情況變化取值，再結(jié)合誤差信號(hào)e(t)，得到最終的輸出信號(hào)為力矩u_f(t)，

其中，k_f和k_int是正常系數(shù)對(duì)角矩陣；s(t)是滑模面，s(t)＝k_sle(t)，k_sl是滑模增益，表示對(duì)s(t)在t₀到t的積分。

從機(jī)器人，是從端被控對(duì)象，其輸入信號(hào)為力矩信號(hào)u_s(t)和力矩信號(hào)u_f(t)的疊加信號(hào)，以及環(huán)境模塊的輸出接觸力信號(hào)F_e(t)，其輸出信號(hào)為位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)

一環(huán)境模塊，用于反應(yīng)從機(jī)器人在進(jìn)行作業(yè)時(shí)與環(huán)境相接觸程度，其輸入是從機(jī)器人的位置信號(hào)q_s(t)和速度信號(hào)其輸出信號(hào)是從機(jī)器人與環(huán)境的接觸力信號(hào)F_e(t)。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。