[發明專利]一種有限時間收斂的遙操作雙邊控制器的控制方法

有效

• 申請號: 201710262726.6
• 申請日: 2017-04-20
• 公開（公告）號: CN106933103B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 陳章;王子威;梁斌;王學謙;李成;廖慶敏
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司 44223
• 代理人: 江耀純

本發明提供一種有限時間收斂的遙操作雙邊控制器的控制方法。所述控制方法包括如下步驟：S01、建立不考慮重力項的動力學模型；S02、根據S01中的動力學模型建立主從雙邊控制系統的誤差模型；S03、計算S02中的誤差模型的不確定部分的界；S04、定義S02中的誤差模型的外界干擾項關于系統狀態量的界；S05、根據S02確定滑模變量；S06、根據S03至S05，針對S02的誤差模型，確定雙邊控制律；S07、S06中的確定與控制器參數、系統初始狀態相關的收斂時間并根據收斂時間調整控制律。本發明能保證在給定的有限時間內，主從雙邊機器人的跟蹤誤差快速收斂到零，在保證系統在時延下穩定性的同時，提高了系統雙邊同步跟蹤的快速性。

技術領域

本發明涉及控制技術領域，特別涉及一種有限時間收斂的遙操作雙邊控制器的控制方法。

背景技術

目前，機器人的控制模式主要分為兩大類：自主控制方式和遙操作控制方式。自主控制方式下，機器人通過對外界環境進行感知和判斷，根據接收到的任務指令自主進行決策、規劃和控制。遙操作控制方式則借助于臨場感交互手段(視覺、力/觸覺、聽覺、味覺等)將操作員納入到機器人的控制回路中，由操作員根據自己的判斷操縱機器人完成一些復雜的任務。

受限于目前有限的人工智能發展水平，面對大多數復雜任務時機器人都無法完全自主地完成作業，另外，很多任務必須依靠專業技術人員的知識，例如遠程手術，因此機器人的遙操作控制還是目前主流的控制方式，而且在將來也依舊是必不可少的途徑。

雙邊控制是遙操作的一種主要控制模式，在這種控制模式中，操作員利用人機交互設備發出指令，人機交互設備就是主端機器人，亦被稱為手控器，指令經過信號傳輸通道達到從端，從端機器人根據接收到的指令進行控制；另一方面，從端機器人的位置信息與受到的力信息通過信號傳輸通道回傳給主端，主端的手控器通過控制，將從端機器人受到的力反饋至操作員。整個控制回路中，存在著力與位置兩個信息的交互，且需要保證主從端雙邊的同步性，因此也稱為雙邊控制。一個典型的雙邊控制系統包含以下五個環節：操作員、主端機器人(一般稱為手控器、主手)、主從端通信鏈路(通信環節)、從端機器人(從手)和環境。

由于遙操作機器人的特殊性，主端操作員與從端機器人之間往往相距甚遠，其信號傳輸通道對控制系統而言總是存在不可忽視的時延，所以雙邊控制系統是一個回路存在時延的系統。眾所周知，時延的存在會給控制系統帶來很大的挑戰，因此在現有的雙邊控制研究中，絕大部分都是針對如何消除時延的影響展開雙邊控制器設計。

文獻《Bilateral teleoperation:An historical survey》對機器人的雙邊控制方法進行了歸納與總結，發現大部分的研究均為針對如何保證雙邊控制系統在時延下的穩定性展開的，其中最為主流的是基于無源性的方法，其核心思想在于通過保證時延傳輸環節的無源性從而確保雙邊系統對時延的穩定性。從另一方面講，這些控制方法只是保證了系統的“可用性”，因為穩定性是控制系統的基本需求，但沒有顧及系統的其他性能；甚至很多方法由于采用了較為保守的控制律控制方法，極大犧牲了系統除了穩定性之外的其它性能，導致其工程實用性都非常不足。

跟蹤性是雙邊控制器設計的一項重要性能指標，體現的是主從雙端的機器人彼此間的同步跟蹤能力。在目前已有的主流雙邊控制方法中，跟蹤性往往無法與穩定性得到兼顧。

以文獻《An adaptive controller for nonlinear teleoperators》為例，文中設計了一種時延下穩定的雙邊控制方法，該方法能保證遙操作系統在時延下的穩定性，同時自適應機制的引入也對模型不確定性具有一定的魯棒性。但是從文中對控制性能的分析可以發現，該方法最多只能保證主從雙端的同步跟蹤誤差最終收斂到零，而無法確定這個過程的時間：如果需要很長的時間才能使誤差趨近于零，那么該控制器將無法用于實際的遙操作任務。

另一方面，傳統的終端滑模存在奇異性的問題，即控制器的狀態變量在收斂到零的過程中的某一時刻出現無窮大。

發明內容