專利名稱：基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于遙操作機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于克服時延影響的基于主從 參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法。
背景技術(shù)：
遙操作系統(tǒng)是實現(xiàn)空間危險環(huán)境中作業(yè)的有力手段，是人類感知和行為能力的有 效延伸、拓展以至超越。由于操作者所在位置與作業(yè)位置之間的通訊時延，造成了遙操作系 統(tǒng)的不穩(wěn)定和操作性能的降低，而且時延會嚴(yán)重破壞系統(tǒng)的透明性，導(dǎo)致操作者做出錯誤 的判斷。在很多情況下，我們對遙操作所要面對的環(huán)境是有一定了解的，如核電站里核材 料的搬運(yùn)，空間站內(nèi)部的科學(xué)實驗等，都是一個結(jié)構(gòu)已知的環(huán)境，我們稱之為結(jié)構(gòu)化環(huán)境。 現(xiàn)有的遙操作系統(tǒng)的大多是在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的，其特點是通訊時延基本穩(wěn)定、環(huán)境對 象已知，如核電站中對于核原料的搬運(yùn)，原料的大小、位置、路徑都是已知的；再如空間無人 值守環(huán)境下進(jìn)行科學(xué)實驗，實驗的過程、步驟都是已知的。所以，我們可以根據(jù)環(huán)境的已知 條件，得到較好的環(huán)境模型。自適應(yīng)控制系統(tǒng)是利用它的可調(diào)系統(tǒng)的輸入信號、狀態(tài)和輸出變量來度量某個性 能指標(biāo)，然后根據(jù)實測性能指標(biāo)值與給定性能指標(biāo)值相比較的結(jié)果，由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)修正可 調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)或者產(chǎn)生一個輔助信號，以保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)接近給定的性能指標(biāo)。對于 基于模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其設(shè)計性能指標(biāo)是以模型的形式來表示的，因此簡單直觀，符 合工程實踐，并且有著多種結(jié)構(gòu)可以利用。將自適應(yīng)控制技術(shù)運(yùn)動的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中， 為解決遙操作系統(tǒng)由于時延影響而造成的失穩(wěn)問題提供較好的解決途徑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于主從參考模型的遙操作機(jī) 器人自適應(yīng)控制方法，使遙操作系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案所述基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)包括主邊回路，從邊回路以及通訊 時延環(huán)節(jié)，主邊回路由操作者、主機(jī)器人和主邊環(huán)境模型構(gòu)成，從邊回路由環(huán)境、從機(jī)器人、 從邊環(huán)境模型、模型參數(shù)修正模塊和模擬時延模塊構(gòu)成，主邊環(huán)境模型與從邊環(huán)境模型結(jié) 構(gòu)一致，設(shè)t為控制系統(tǒng)的時間變量，T為通訊時延環(huán)節(jié)確定的時延量，引入時間標(biāo)識tn，n =0，1，2···，對各控制量進(jìn)行說明，所述tn的意義為設(shè)某一時刻為、，則、為、之后經(jīng)過 了時延量T的時間值，t2為、之后經(jīng)過了時延量T的時間值，即為、之后經(jīng)過了時延量2T 的時間值，以此類推，tn為、之后經(jīng)過了時延量nT的時間值。步驟1操作者通過主機(jī)器人發(fā)出主邊位置信號XmUtl)，所述主邊位置信號XmUtl) 進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)時延IT后形成從邊位置信號XsU1)，
步驟2時延后的從邊位置信號XsU1)輸入從機(jī)器人，使從機(jī)器人運(yùn)動并產(chǎn)生環(huán)境 位置信號& (、)，作用于環(huán)境，同時環(huán)境位置信號X^t1)作為從邊環(huán)境模型的輸入量進(jìn)入從 邊環(huán)境模型，從邊環(huán)境模型根據(jù)環(huán)境位置信號X^t1)產(chǎn)生從邊模型輸出力Ut1)，即fcs (0 = pc{t + 2T) ■ (mcm + dcm + κ_其中，p。(t)為可調(diào)增益，m。為模型的慣性系數(shù)，d。為模型的阻尼系數(shù)，k。為模型的 彈性系數(shù)，所述環(huán)境根據(jù)環(huán)境位置信號X^t1)產(chǎn)生環(huán)境反作用力fjti)，即fe(t) = mex(t) + dex(t) + kex(t)其中，me為環(huán)境的慣性系數(shù)，de為模型的阻尼系數(shù)，ke為模型的彈性系數(shù)，且所述 環(huán)境反作用力Lai)反作用于從機(jī)器人，同時環(huán)境反作用力fjti)進(jìn)入到模型參數(shù)修正模 塊，模型參數(shù)修正模塊根據(jù)從邊環(huán)境模型輸出力Ut1)及環(huán)境反作用力fjti)輸出可調(diào)增 益Ρ。(、)，可調(diào)增益P。(t)的產(chǎn)生方法為所述從邊環(huán)境模型輸出力f。s(t)作為模型參數(shù)修正模塊的輸出力f。s(t)，環(huán)境反 作用力fe(t)作為環(huán)境的環(huán)境輸出力，模型參數(shù)修正模塊的控制律為Α(0 =，= Μ0/力)， 具體步驟如下Stepl設(shè)定調(diào)整律Y，設(shè)Y = 0. 01 2 ；St印2模型參數(shù)修正模塊的兩個輸入fe (t)和f。s (t)，得到廣義誤差e (t)，e (t)= fe(t)-fcs(t)；St印3 利用Λ W = ^P = MOTiW，計算出 Pc ⑴；Step4t — t+h，t為時間變量，h為計算步長，h的取值視具體計算條件確定，取值 范圍為(10_7s 0. 5s)，s為秒，返回St印2，繼續(xù)循環(huán)。令可調(diào)增益p。U1) =p。tl，設(shè)τ為新的時間變量，相對于、時刻，τ的起始點為 tQ+T，所述時間變量τ表征可調(diào)增益？。 輸出之后的變化，即有p。tl(T)，步驟3所述可調(diào)增益p。tl ( τ )經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)的IT時延后，得到p。tl ( τ _T)，主 邊環(huán)境模型根據(jù)P。tl( τ -Τ)以及主機(jī)器人此時輸出的主邊位置信號xm(t2)，輸出主邊環(huán)境 模型輸出力f。m(t2)，即⑴= Pc(t + Ty {mcx(t) + dcx(t) + kcx(t))其中，p。(t)為可調(diào)增益，m。為模型的慣性系數(shù)，d。為模型的阻尼系數(shù)，k。為模型的 彈性系數(shù)，所述主邊環(huán)境模型輸出力f。m(t2)最終作用于主機(jī)器人，主機(jī)器人輸出力fh(t2) 再作用于操作者，即fh(t2) = f。m(t2)，使操作者感受到作用力，形成下一步的控制的參考，步驟4根據(jù)主機(jī)器人的輸出力fh(t2)在t2時刻形成新的主邊位置信號，但此時的 主邊位置信號與步驟3中的主邊位置信號Xm(t2)已不同，所以新的主邊位置信號用xm(t2+) 表示，所述主邊位置信號xm(t2+)進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)時延IT后形成從邊位置信號Xs (t3)，步驟5時延后的從邊位置信號Xs (t3)輸入從機(jī)器人，使從機(jī)器人運(yùn)動并產(chǎn)生 環(huán)境位置信號X6(t3)，作用于環(huán)境和從邊環(huán)境模型，與此同時，步驟2中所述的可調(diào)增 益值P。tl ( τ )經(jīng)過模擬時延模塊模擬時延2Τ后，得到p。tl ( τ -2Τ)，從邊環(huán)境模型根據(jù) Pctl -2Τ)以及從機(jī)器人此時輸出的從邊位置信號值Xm(t3)，輸出從邊環(huán)境模型輸出力 f。s (t3)，作用于模型參數(shù)修正模塊，此時可調(diào)增益值P。tl ( τ )的運(yùn)行周期終止，可調(diào)增益 Prtl(T)消失，模型參數(shù)修正模塊根據(jù)環(huán)境位置信號& (t3)作用于環(huán)境產(chǎn)生的環(huán)境反作用ijfe(t3)以及從邊環(huán)境模型輸出力f。s(t3)生成新的可調(diào)增益P。(t3)，設(shè)P。(t3) =p。t3，由于 前的可調(diào)增益值Ρ。 (τ)消失，設(shè)τ為新的時間變量，此時相對于、時刻，τ的起始點為 t。+3T，所述時間變量τ表征可調(diào)增益？?！遁敵鲋蟮淖兓?，即有ρ。 3(τ)，步驟6所述可調(diào)增益p。t3( τ)經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)的IT時延后，得到p。t3 ( τ-T)，主 邊環(huán)境模型根據(jù)P。t3( τ -Τ)以及主機(jī)器人此時輸出的主邊位置信號xm(t4)，輸出主邊環(huán)境 模型輸出力f。m(t4)，所述主邊環(huán)境模型輸出力f。m(t4)最終作用于主機(jī)器人，主機(jī)器人輸出 力fh(t4)再作用于操作者，即fh(t4) = f。m(t4)，使操作者感受到作用力，形成下一步的控制 的參考，步驟7返回步驟1，以此循環(huán)，實現(xiàn)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的連續(xù)控制。本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明實現(xiàn)了遙操作機(jī)器人的雙邊控制。2.本發(fā)明在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的主邊進(jìn)入環(huán)境模型，并且由該環(huán)境模型提供反饋 的力信號，這樣就避免了時延造成的失穩(wěn)問題，使操作者感受到穩(wěn)定的反饋力。3.本發(fā)明在遙操作系統(tǒng)的主從雙邊引入環(huán)境模型，對于同一個位置信號，所面對 的主從環(huán)境模型是一樣的，這種結(jié)構(gòu)的功能就是可以使操作者感受到的力信號與真實環(huán)境 反饋的力信號進(jìn)行比較，在調(diào)整可調(diào)增益，這樣提高了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性。4.本發(fā)明提高了結(jié)構(gòu)化環(huán)境下遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性，能極大地拓寬遙 操作機(jī)器人的應(yīng)用范圍。


圖1是本發(fā)明的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)控制模型圖。圖2是控制系統(tǒng)中的時間關(guān)系示意圖。圖3是本發(fā)明控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖。
具體實施例方式所述基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法包括主邊回路1，從邊 回路2以及通訊時延環(huán)節(jié)3，主邊回路1由操作者11、主機(jī)器人12和主邊環(huán)境模型13構(gòu)成， 從邊回路2由環(huán)境21、從機(jī)器人22、從邊環(huán)境模型23、模型參數(shù)修正模塊24和模擬時延模 塊25構(gòu)成，主邊環(huán)境模型13與從邊環(huán)境模型23結(jié)構(gòu)一致，結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，已知通訊時延環(huán)節(jié)3有時延，設(shè)T為通訊時延環(huán)節(jié)3的時延量，仿 真中T = Is。在結(jié)構(gòu)化環(huán)境下對所要面對的環(huán)境有一定的了解，所以可以建立較為準(zhǔn)確的 環(huán)境模型，但不可能完全一致。本發(fā)明中的主邊環(huán)境模型13和從邊環(huán)境模型23都是在控 制開始時已建立好的近似環(huán)境模型，這兩個模型建立時是一樣的，控制過程中參數(shù)調(diào)整也 一樣，兩個模型都在不斷地逼近真實的環(huán)境模型，但從邊環(huán)境模型23比從邊環(huán)境模型在參 數(shù)調(diào)整上滯后1T。設(shè)t為控制系統(tǒng)的時間變量，引入時間標(biāo)識tn，η = 0,1，2···，對各控制量進(jìn)行說 明，所述tn的意義為設(shè)某一時刻為、，則、為、之后經(jīng)過了時延量T的時間值，t2為、 之后經(jīng)過了時延量T的時間值，即為、之后經(jīng)過了時延量2T的時間值，以此類推，tn為、之后經(jīng)過了時延量nT的時間值。具體步驟如下步驟1操作者11通過主機(jī)器人12發(fā)出主邊位置信號XmUtl)，所述主邊位置信號 Xffl(to)進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)3時延IT后形成從邊位置信號XsU1)，步驟2時延后的從邊位置信號XsU1)輸入從機(jī)器人22 (令從機(jī)器人22的動力學(xué) 模型為= # + ^ + 0，其中fs為從機(jī)器人22的輸出力，ms為慣性系數(shù)，ds為阻尼系數(shù)，ks 為彈性系數(shù)，χ是位置量，仿真中取ms = 2，ds = 0. 001，ks = 0)，使從機(jī)器人22運(yùn)動并產(chǎn)生 環(huán)境位置信號X^t1)，作用于環(huán)境21，同時環(huán)境位置信號X^t1)作為從邊環(huán)境模型23的輸 入量進(jìn)入從邊環(huán)境模型23，從邊環(huán)境模型23根據(jù)環(huán)境位置信號XeU1)產(chǎn)生從邊模型輸出 力Ut1)，即fcs (O = pc(t + 2T) · (mcx(t) + dcx(t) + ^AO)其中，p。(t)為可調(diào)增益，m。為模型的慣性系數(shù)，d。為模型的阻尼系數(shù)，k。為模型的 彈性系數(shù)，仿真中取m。= 0.6，d。= 0.01，k。= 0，所述環(huán)境根據(jù)環(huán)境位置信號X^t1)產(chǎn)生 環(huán)境反作用力^t1)，即(/) = mex(t) + dex(t) + kex(t)其中，me為環(huán)境的慣性系數(shù)，de為模型的阻尼系數(shù)，ke為模型的彈性系數(shù)，仿真中 取叫=0. 8，de = 0. 01，ke = 0，且所述環(huán)境反作用力^t1)反作用于從機(jī)器人22，同時環(huán) 境反作用力^t1)進(jìn)入到模型參數(shù)修正模塊24，模型參數(shù)修正模塊24根據(jù)從邊環(huán)境模型 輸出力Ut1)及環(huán)境反作用力咖輸出可調(diào)增益P。(、)。模型參數(shù)修正模塊24中所計算p。(t)的算法為基于梯度法的自適應(yīng)律，設(shè)從 邊環(huán)境模型的輸出參考力信號f。s與真實環(huán)境輸出的力信號f；之差為e(t)，即e(t)=
fe(t)-f。s(t)，采用的自適應(yīng)律為Α(0 = ^Ρ = Μ Χ/:(0，Y為調(diào)整律，其取值范圍為Y =
0. 01 2，當(dāng)主邊反饋給操作者的力需要較大時，Y取較大值，當(dāng)主邊反饋給操作者的力需 要較小時，Y取較小值，在仿真中取Y =0.1。當(dāng)在計算機(jī)仿真中，采用的算法為Stepl設(shè)定調(diào)整率Y ；St印2采樣模型參數(shù)修正模塊的兩個輸入fe (t)和f。s (t)，得到誤差e (t)；St印3利用Λ⑴明,計算出Pc⑴；
atStep4t — t+h，h為計算步長，返回St印2，繼續(xù)循環(huán)。h的取值視具體計算條件(如所需要的精度，精度要求越高h(yuǎn)越小)確定(如所需 要的精度，精度要求越高h(yuǎn)越小)，取值范圍為(ICT7s 0. 5s)，在仿真中取h = l/30s。令可調(diào)增益p。U1) =p。tl，設(shè)τ為新的時間變量，相對于、時刻，τ的起始點為 tQ+T，所述時間變量τ表征可調(diào)增益？。 輸出之后的變化，即有p。tl(T)，步驟3所述可調(diào)增益p。tl ( τ )經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)3的IT時延后，得到p。tl ( τ -Τ), 主邊環(huán)境模型13根據(jù)p。tl ( τ -Τ)以及主機(jī)器人12此時輸出的主邊位置信號Xm (t2)，輸出主 邊環(huán)境模型輸出力f。m(t2)，即Zcm (O = pc{t + T)· {mcm + dcm + kcx(t))其中，p。(t)為可調(diào)增益，m。為模型的慣性系數(shù)，d。為模型的阻尼系數(shù)，k。為模型的 彈性系數(shù)，仿真中取m。= 0.6，d。= 0.01，k。= 0，各參數(shù)與之前從邊環(huán)境模型一致，這說明兩模型結(jié)構(gòu)一致。所述主邊環(huán)境模型13輸出力f。m(t2)最終作用于主機(jī)器人12，主機(jī)器人 輸出力fh(t2)再作用于操作者11，即fh(t2) = f。m(t2)，使操作者11感受到作用力，形成下 一步的控制的參考，步驟4根據(jù)主機(jī)器人的輸出力fh(t2)在t2時刻形成新的主邊位置信號，新的主邊 位置信號用xm(t2+)表示，所述主邊位置信號xm(t2+)進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)3時延IT后形成從 邊位置信號Xs (t3)，步驟5時延后的從邊位置信號Xs (t3)輸入從機(jī)器人22，使從機(jī)器人22運(yùn)動并產(chǎn)生 環(huán)境位置信號X6 (t3)，作用于環(huán)境21和從邊環(huán)境模型23，與此同時，步驟2中所述的可調(diào)增 益值P。tl ( τ )經(jīng)過模擬時延模塊25模擬時延2Τ后，得到p。tl ( τ -2Τ)，從邊環(huán)境模型23根據(jù) Pctl ( τ -2Τ)以及從機(jī)器人22此時輸出的從邊位置信號值Xm (t3)，輸出從邊環(huán)境模型輸出力 fcs (t3)，作用于模型參數(shù)修正模塊24，此時可調(diào)增益值p。tl ( τ )的運(yùn)行周期終止，可調(diào)增益 Prtl(T)消失，模型參數(shù)修正模塊24根據(jù)環(huán)境位置信號Xe (t3)作用于環(huán)境21產(chǎn)生的環(huán)境反 作用力fe(t3)以及從邊環(huán)境模型輸出力f。s(t3)生成新的可調(diào)增益p。(t3)，設(shè)p。(t3) = pct3, 由于之前的可調(diào)增益P。tl( τ)消失，所以可以設(shè)τ為新的時間變量，此時相對于、時刻，τ 的起始點為、+3Τ，所述時間變量τ表征可調(diào)增益？?！遁敵鲋蟮淖兓?，即有ρ。 3(τ)，步驟6所述可調(diào)增益p。t3 ( τ )經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)3的IT時延后，得到p。t3 ( τ -Τ), 主邊環(huán)境模型13根據(jù)p。t3( τ -Τ)以及主機(jī)器人12此時輸出的主邊位置信號xm (t4)，輸出主 邊環(huán)境模型輸出力f。m(t4)，所述主邊環(huán)境模型輸出力f。m(t4)最終作用于主機(jī)器人12，主機(jī) 器人輸出力fh(t4)再作用于操作者11，即fh(t4) = f。m(t4)，使操作者11感受到作用力，形 成下一步的控制的參考，步驟7返回步驟1，這樣，不斷的進(jìn)行循環(huán)，主邊環(huán)境模型和從邊環(huán)境模型就不斷地逼近真實的環(huán)境 模型，形成克服時延影響的遙操作機(jī)器人控制。圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)中的時間關(guān)系示意圖。三條實線箭頭分別表示環(huán)境21、主 邊環(huán)境模型13和從邊環(huán)境模型23在輸出量上的時間標(biāo)度；三條虛線表示時間間隔為T ；虛 線箭頭表示可調(diào)增益Ρ。( τ)的作用位置。這樣可以清晰地看出可調(diào)增益對各輸出的影響。 在a點形成的ρ。( τ )在IT后影響主邊環(huán)境模型13的輸出，2Τ后影響從邊環(huán)境模型23的 輸出。操作者感受到的一直是IT前修正的模型輸出的力，與環(huán)境21輸出fe比較的一直是 IT前操作者提供的位置信號所形成的模型參數(shù)修正模塊24的參考力信號f。s，所以本發(fā)明 改變了時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖3為本發(fā)明的仿真結(jié)果圖，以一個在t = 3時刻觸發(fā)的斜坡信號作為主邊位置 信號1111進(jìn)入通訊延時環(huán)節(jié)，即圖中實線所表示的控制量。虛線表示的是環(huán)境反作用于從機(jī) 器人的力信號f；，可以看出f；很好地跟隨了 xm。點線表示的從邊環(huán)境模型輸出的力信號f。s， fcs在經(jīng)歷了初期的延時之后快速且較好的跟蹤了 fe，使與f。s的差e始終保持最小。仿 真結(jié)果說明本發(fā)明可以遙操作機(jī)器人系統(tǒng)實線準(zhǔn)確、穩(wěn)定地控制。
權(quán)利要求
一種基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法，其特征在于，包括主邊回路(1)，從邊回路(2)以及通訊時延環(huán)節(jié)(3)，主邊回路(1)由操作者(11)、主機(jī)器人(12)和主邊環(huán)境模型(13)構(gòu)成，從邊回路(2)由環(huán)境(21)、從機(jī)器人(22)、從邊環(huán)境模型(23)、模型參數(shù)修正模塊(24)和模擬時延模塊(25)構(gòu)成，主邊環(huán)境模型(13)與從邊環(huán)境模型(23)結(jié)構(gòu)一致，設(shè)t為控制系統(tǒng)的時間變量，T為通訊時延環(huán)節(jié)(3)確定的時延量，引入時間標(biāo)識tn，n＝0，1，2…，對各控制量進(jìn)行說明，所述tn的意義為設(shè)某一時刻為t0，則t1為t0之后經(jīng)過了時延量T的時間值，t2為t1之后經(jīng)過了時延量T的時間值，即為t0之后經(jīng)過了時延量2T的時間值，以此類推，tn為t0之后經(jīng)過了時延量nT的時間值。步驟1操作者(11)通過主機(jī)器人(12)發(fā)出主邊位置信號xm(t0)，所述主邊位置信號xm(t0)進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)(3)時延1T后形成從邊位置信號xs(t1)，步驟2時延后的從邊位置信號xs(t1)輸入從機(jī)器人(22)，使從機(jī)器人(22)運(yùn)動并產(chǎn)生環(huán)境位置信號xe(t1)，作用于環(huán)境(21)，同時環(huán)境位置信號xe(t1)作為從邊環(huán)境模型(23)的輸入量進(jìn)入從邊環(huán)境模型(23)，從邊環(huán)境模型(23)根據(jù)環(huán)境位置信號xe(t1)產(chǎn)生從邊模型輸出力fcs(t1)，即 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>cs</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>c</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>m</mi><mi>c</mi> </msub> <mover><mi>x</mi><mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo></mrow> </mover> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>d</mi><mi>c</mi> </msub> <mover><mi>x</mi><mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mi>x</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，pc(t)為可調(diào)增益，mc為模型的慣性系數(shù)，dc為模型的阻尼系數(shù)，kc為模型的彈性系數(shù)，所述環(huán)境根據(jù)環(huán)境位置信號xe(t1)產(chǎn)生環(huán)境反作用力fe(t1)，即 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>e</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>m</mi> <mi>e</mi></msub><mover> <mi>x</mi> <mrow><mo>&CenterDot;</mo><mo>&CenterDot;</mo> </mrow></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>d</mi> <mi>e</mi></msub><mover> <mi>x</mi> <mo>&CenterDot;</mo></mover><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>k</mi> <mi>e</mi></msub><mi>x</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，me為環(huán)境的慣性系數(shù)，de為模型的阻尼系數(shù)，ke為模型的彈性系數(shù)，且所述環(huán)境反作用力fe(t1)反作用于從機(jī)器人(22)，同時環(huán)境反作用力fe(t1)進(jìn)入到模型參數(shù)修正模塊(24)，模型參數(shù)修正模塊(24)根據(jù)從邊環(huán)境模型輸出力fcs(t1)及環(huán)境反作用力fe(t1)輸出可調(diào)增益pc(t1)，令可調(diào)增益pc(t1)＝pct1，設(shè)τ為新的時間變量，相對于t0時刻，τ的起始點為t0+T，所述時間變量τ表征可調(diào)增益pct1輸出之后的變化，即有pct1(τ)，步驟3所述可調(diào)增益pct1(τ)經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)(3)的1T時延后，得到pct1(τ T)，主邊環(huán)境模型(13)根據(jù)pct1(τ T)以及主機(jī)器人(12)此時輸出的主邊位置信號xm(t2)，輸出主邊環(huán)境模型輸出力fcm(t2)，即 <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>cm</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>c</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>&CenterDot;</mo><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>m</mi><mi>c</mi> </msub> <mover><mi>x</mi><mrow> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo></mrow> </mover> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>d</mi><mi>c</mi> </msub> <mover><mi>x</mi><mo>&CenterDot;</mo> </mover> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub><mi>k</mi><mi>c</mi> </msub> <mi>x</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，pc(t)為可調(diào)增益，mc為模型的慣性系數(shù)，dc為模型的阻尼系數(shù)，kc為模型的彈性系數(shù)，所述主邊環(huán)境模型(13)輸出力fcm(t2)最終作用于主機(jī)器人(12)，主機(jī)器人輸出力fh(t2)再作用于操作者(11)，即fh(t2)＝fcm(t2)，使操作者(11)感受到作用力，形成下一步的控制的參考，步驟4根據(jù)主機(jī)器人的輸出力fh(t2)在t2時刻形成新的主邊位置信號，新的主邊位置信號用xm(t2+)表示，所述主邊位置信號xm(t2+)進(jìn)入通訊時延環(huán)節(jié)(3)時延1T后形成從邊位置信號xs(t3)，步驟5時延后的從邊位置信號xs(t3)輸入從機(jī)器人(22)，使從機(jī)器人(22)運(yùn)動并產(chǎn)生環(huán)境位置信號xe(t3)，作用于環(huán)境(21)和從邊環(huán)境模型(23)，與此同時，步驟2中所述的可調(diào)增益值pct1(τ)經(jīng)過模擬時延模塊(25)模擬時延2T后，得到pct1(τ 2T)，從邊環(huán)境模型(23)根據(jù)pct1(τ 2T)以及從機(jī)器人(22)此時輸出的從邊位置信號值xm(t3)，輸出從邊環(huán)境模型輸出力fcs(t3)，作用于模型參數(shù)修正模塊(24)，此時可調(diào)增益值pct1(τ)的運(yùn)行周期終止，可調(diào)增益pct1(τ)消失，模型參數(shù)修正模塊(24)根據(jù)環(huán)境位置信號xe(t3)作用于環(huán)境(21)產(chǎn)生的環(huán)境反作用力fe(t3)以及從邊環(huán)境模型輸出力fcs(t3)生成新的可調(diào)增益pc(t3)，設(shè)pc(t3)＝pct3，設(shè)τ為新的時間變量，此時相對于t0時刻，τ的起始點為t0+3T，所述時間變量τ表征可調(diào)增益pct3輸出之后的變化，即有pct3(τ)，步驟6所述可調(diào)增益pct3(τ)經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)(3)的1T時延后，得到pct3(τ T)，主邊環(huán)境模型(13)根據(jù)pct3(τ T)以及主機(jī)器人(12)此時輸出的主邊位置信號xm(t4)，輸出主邊環(huán)境模型輸出力fcm(t4)，所述主邊環(huán)境模型輸出力fcm(t4)最終作用于主機(jī)器人(12)，主機(jī)器人輸出力fh(t4)再作用于操作者(11)，即fh(t4)＝fcm(t4)，使操作者(11)感受到作用力，形成下一步的控制的參考，步驟7返回步驟1，以此循環(huán)，實現(xiàn)連續(xù)控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法，其特征 在于可調(diào)增益P。(t)的產(chǎn)生方法為所述從邊環(huán)境模型輸出力f。s(t)作為模型參數(shù)修正模塊(24)的輸出力f。s(t)，環(huán) 境反作用力fe(t)作為環(huán)境(21)的環(huán)境輸出力，模型參數(shù)修正模塊(24)的控制律為PM = = Ye{t)m，具體步驟如下 dtStepl設(shè)定調(diào)整律Y，設(shè)Y = 0. 01 2 ；St印2模型參數(shù)修正模塊的兩個輸入fe(t)和f。s(t)，得到廣義誤差e(t)，e(t)= fe(t)-fcs(t)；St印3利用= =’計算出Pc⑴；atStep4 t — t+h，t為時間變量，h為計算步長，h的取值視具體計算條件確定，取值范圍 為(10_7s 0. 5s)，s為秒，返回St印2，繼續(xù)循環(huán)。
全文摘要
一種基于主從參考模型的遙操作機(jī)器人自適應(yīng)控制方法，包括主邊回路，從邊回路以及通訊時延環(huán)節(jié)，主邊回路由操作者、主機(jī)器人和主邊環(huán)境模型構(gòu)成，從邊回路由環(huán)境、從機(jī)器人、從邊環(huán)境模型、模型參數(shù)修正模塊和模擬時延模塊構(gòu)成。從邊環(huán)境模型提供參考力信號，與環(huán)境反饋的力信號輸入模型參數(shù)修正模塊進(jìn)行比較，利用其誤差，輸出可調(diào)增益pc(τ)，pc(τ)從模型參數(shù)修正模塊中輸出，經(jīng)過通訊時延環(huán)節(jié)后調(diào)節(jié)主邊環(huán)境模型，由主邊環(huán)境模型為操作者提供反饋力信號，同時，可調(diào)增益pc(τ)經(jīng)過模擬時延模塊后調(diào)節(jié)從邊環(huán)境模型，不斷的進(jìn)行循環(huán)，主邊環(huán)境模型和從邊環(huán)境模型就不斷地逼近真實的環(huán)境模型，形成克服時延影響的遙操作，并且使系統(tǒng)獲得穩(wěn)定的控制。
文檔編號G05B13/04GK101930216SQ20101026587
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國, 崔建偉, 李新 申請人:東南大學(xué)