基于网络的遥操作康复机器人系统鲁棒控制研究

摘要

遥操作康复机器人是指应用计算机技术、自动控制技术、传感器应用技术和测试技术,以网络遥操作机器人技术为基础,不仅能为偏远地区的残障患者提供远程康复训练与评估,还能促使患者更灵活、主动、积极地参与康复治疗。
　　本文主要针对遥操作康复机器人系统的稳定性、透明性、跟踪效果、时延影响几个问题进行研究,所设计的鲁棒控制器能够较好地减少时延和外界干扰对系统性能的影响,使系统对参数鲁棒渐进稳定,并且具有良好的透明性。具体的研究内容如下:
　　首先,本文介绍了基于网络的遥操作康复机器人系统的研究背景及意义,国内外研究状况及发展趋势。
　　其次,阐述了常规的遥操作机器人系统的动力学模型和二端口网络模型,进而对所要研究的遥操作康复机器人系统进行动力学建模,并给出其等效的二端口网络模型。
　　然后,针对遥操作康复机器人系统通信时延引起系统不稳定以及性能下降等问题,将系统描述成一个具有时延的状态方程,通过构造适当的李雅普诺夫函数,分析了时延下系统处于约束运动状态下的稳定性,并得到系统的稳定性条件。此外,通过建立系统的等效电路,研究了一种采用阻抗匹配方法分析系统在有时延和无时延情况下透明性的新方法。仿真实验结果表明该方法的有效性,时延下的系统在保证稳定的基础上实现了良好的透明性。
　　接着,针对基于网络的遥操作康复机器人系统主从端之间的时延和外界干扰对系统性能的影响,通过选择适当的加权函数将系统的干扰问题转化为H鲁棒控制问题,采用基于H混合灵敏度和综合的方法设计了一种主从手的鲁棒控制器。受限运动情况下的仿真实验表明,所设计的控制器达到了设计目标。
　　最后,完善了一套单自由度遥操作机器人实验系统,根据本文设计的鲁棒控制器,在 LabVIEW环境下实现所设计的鲁棒控制器,并在该系统上验证了单自由度遥操作康复机器人系统控制器的稳定性和控制效果,实现了主从手位置和力的跟踪控制。
　　实验结果表明:本文设计的H鲁棒控制器具有良好的稳定性和跟踪性能,为遥操作康复机器人新型控制技术的研究奠定了一定基础。

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状和发展趋势

1.3 本文主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 基于网络的遥操作康复机器人系统建模研究

2.1常规遥操作机器人系统的动力学模型

2.2 遥操作康复机器人系统模型

2.3 本章小结

第3章 基于网络的遥操作康复机器人系统稳定性与透明性研究

3.1遥操作康复机器人系统稳定性和透明性分析理论

3.2遥操作康复机器人系统模型描述

3.3稳定性分析

3.4 透明性分析

3.5 系统的稳定性和理想性能的关系

3.6 仿真实验结果与分析

3.7 本章小结

第4章 基于网络的遥操作康复机器人系统H?鲁棒控制器设计

4. 1 遥操作康复机器人系统控制器设计原理

4.2 自由运动状态下H?鲁棒控制器设计

4.3 受限运动状态下主从手位置和力跟踪仿真研究

4.4 固定时延情况下系统仿真

4.5本章小结

第5章 遥操作康复机器人系统的实验研究

5.1 遥操作康复机器人系统构成及工作原理

5.2 系统的电路设计

5.3 系统软件实现

5.4 LabVIEW程序及实验数据

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务及主要成果

致谢