[發明專利]基于對力與位置預測的多時延遙操作系統穩定性控制方法

有效

• 申請號: 201810361629.7
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108519739B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 李堅;黃琦;陶學偉;胡維昊;蔡東升;張真源;李晨;宮彥;王妮;鄧帶雨
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 溫利平

本發明公開了一種基于對力與位置預測的多時延遙操作系統穩定性控制方法，通過估算從機器人所接觸環境的環境剛度參數和環境阻尼度參數，從而預測出從機器人與環境的接觸力，再利用擴展卡爾曼濾波算法預測從機器人位置，根據預測得到的接觸力和位置，設計多時延遙操作系統對主機器人與從機器人的驅動控制律，最后利用主機器人與從機器人的驅動控制律分別控制主機器人與從機器人，從而實現多時延遙操作系統穩定性控制。

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，更為具體地講，涉及一種基于對力與位置預測的多時延遙操作系統穩定性控制方法

背景技術

遙操作系統被廣泛應用在各類遙遠或者人類難以企及的環境之中，例如太空試驗，海底探索，核廢料的處理，遠程康復訓練等等領域。在醫療行業中可以拓展特殊技術人員的能力，遠程控制來完成復雜的治療工作，如跨國手術等。在如此眾多的應用領域，由于信號傳輸距離遙遠，主從機器人信號傳輸時產生了較大通信時延。W.R.Ferrell早在1996年指出，通信時延將會降低對從機器人位置與力的跟蹤準確性，影響雙邊遙操作系統的穩定性，導致系統不穩定，從而對遙操作系統會造成不良影響。

為了消除時延對遙操作系統穩定性的不良影響，增強操作者對從機器人的臨場感體驗，其中有許多的突出的研究成果。例如Robert Anderson提出一種運用無源性理論和散射理論的控制算法，保證了遙操作系統中主從機器人和通信通道的無源性，即能夠保證系統的穩定性。對從機器人與環境的接觸反饋力的預測手段是近年比較熱門的研究方向。Ganjefar提出在主機器人端添加Smith預估器將從機器人端與環境的接觸力預測出來，改善雙邊遙操作系統面臨的時延問題，其中針對的是常量時延問題，同時這是建立在系統模型已知的基礎之上，若存在建模誤差，也會導致系統不穩定。KM Deliparaschos提出對主機器人的狀態預測，但不足于實現操作者的臨場感體驗。

本文通過采取對從機器人反饋力與位置的預測控制方法，提高對從機器人位置與力的跟蹤準確性，以此消除通信時延對遙操作系統穩定性的不良影響，增強操作者對從機器人的臨場感體驗。

總結現有的遙操作系統存在如下缺點：

(1)主從機器人之間存在位置誤差，導致遙操作系統中主從機器人產生運動遲滯，影響了遙操作系統的操作性能。

(2)從機器人傳輸到主機器人端的環境交互作用力存在時延，遙操作系統的力跟蹤性能不能得到確保。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于對力與位置預測的多時延遙操作系統穩定性控制方法，通過建立從機器人環境接觸力模型，運用擴展卡爾曼濾波算法對機器人位置進行預測，能夠實現對主從機器人位置的跟蹤與從機器人反饋力的跟蹤，提高系統穩定性。

為實現上述發明目的，本發明一種基于對力與位置預測的多時延遙操作系統穩定性控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、估算從機器人所接觸環境的環境剛度參數K_c和環境阻尼度參數B_c

(1.1)、根據從機器人傳感器實時采集的環境接觸力F_e與從機器人位置x_s，建立關系式：

對(1)式兩邊同時取對數，得：

其中，ε為測量誤差；n為常數，其大小依賴于接觸物質材料及其幾何特性，取值介于1和2之間；

(1.2)、利用指數加權遞歸最小二乘法估算環境剛度參數K_c和環境阻尼度參數B_c

(1.2.1)、設置迭代次數k；

(1.2.2)、對公式(2)進行參數化；