[發明專利]反步有限時間雙邊遙操作控制方法及計算機可讀存儲介質

有效

• 申請號: 201710802174.3
• 申請日: 2017-09-07
• 公開（公告）號: CN107450326B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 梁斌;張依曼;王子威;陳章;王學謙
• 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: 徐羅艷

反步有限時間雙邊遙操作控制方法及計算機可讀存儲介質，方法為：S1、對n自由度的雙邊遙操作控制機器人系統建立不考慮重力項的雙邊遙操作動力學模型；分別對主從端執行S2至S6：S2、提取機器人的關節位置變量并進行變量替換，建立狀態變量方程；定義狀態變量方程中待定的虛擬切換控制器；S3、基于狀態變量方程提取待穩定系統；S4、選取第一Lyapunov函數以穩定待穩定系統；S5、對第一Lyapunov函數求導并根據求導結果定義非奇異積分終端滑模面；S6、選取第二Lyapunov函數以計算狀態變量在滑模面滑動階段的收斂時間；S7、構建雙邊控制器，以使非滑動模態于有限時間內到達非奇異積分終端滑模面；S8、估計狀態變量收斂時間的上限。

技術領域

本發明涉及控制技術領域，具體涉及一種基于HJI理論的反步有限時間雙邊遙操作控制方法以及一種計算機可讀存儲介質。

背景技術

機器人遙操作技術是指操作人員監視和控制遠方機器人完成各種任務的技術。目前，受限于人工智能的發展水平，機器人在面對大多數復雜任務時自主完成任務的程度不佳。為了保證任務完成度，遙操作在機器人控制模式中不可或缺。此外，在一些人類無法觸碰甚至一些危及人類健康或生命安全的環境下，遙操作技術被廣泛應用。

遙操作技術有預測控制、遙操作編程技術和雙邊控制三種控制模式。雙邊控制方法中，主端和從端都在一個控制回路中，兩者之間相互作用，通過設計控制算法克服通信時延的影響(相關技術可參考《空間機器人遙操作雙邊遙控制技術研究》-鄧啟文)。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、主從端通信鏈路、從端機器人和環境。

雙邊遙操作中最主要的是通信時延影響下的系統穩定性問題，特別是遠距離遙操作任務重，通信時延將嚴重影響系統性能，甚至導致閉環系統失穩。為保證遙操作系統的閉環穩定性，基于無源性的雙邊控制方法被許多學者研究和討論，比較經典的包括散射變換法和波向量法。此外，文獻《Delay-dependent stability criteria of teleoperationsystems with asymmetric time-varying delays》中基于H_∞魯棒控制理論在最優框架下對變時延問題進行了研究，事實上，遙操作的時延動態特性十分復雜，既包括固定時延分量也包含隨機分量，特別是跳變的隨機分量將導致信息難以獲取和測量。這類抖動時延將嚴重影響閉環系統穩定性，然而上述方法難以解決抖動時延問題。

雙邊控制器在時延下的動態性能是雙邊遙操作系統的另一個重要指標。動態性能包括跟蹤速度(響應時間)和穩態跟蹤誤差。針對這一問題，文獻《Synchronization ofbilateral teleoperators with time delay》設計了一種位置跟蹤控制器實現了雙邊協同誤差的漸近收斂。文獻《Bilateral control of teleoperation systems with timedelay》提出的方法實現了主從端誤差的有界性，并顯式地給出了誤差與控制器參數的關系。上述方法實現了漸近控制，即狀態變量在時間趨于無窮時的收斂。然而，漸近控制難以達到實際任務的要求。事實上，實際任務中更需要一種有限時間收斂且收斂時間可控的控制方法。

發明內容

本發明的主要目的是基于HJI理論，提出一種反步有限時間雙邊遙操作控制方法，該控制方法能夠實現主從端機器人機械臂的相對位置誤差及速度誤差在有限時間內收斂且收斂時間可控，以解決現有技術在很長時間內才能使跟蹤誤差趨近于零的問題。

本發明為達上述目的所提供的技術方案如下：

一種反步有限時間雙邊遙操作控制方法，包括以下步驟

S1、對于n自由度的雙邊遙操作控制機器人系統，建立其不考慮重力項的雙邊遙操作動力學模型；其中，n為正整數；

分別對所述雙邊遙操作動力學模型的主端和從端執行以下步驟S2至S6：