基于单向延时抖动预测的力反馈遥操作技术研究

摘要

随着科技的不断进步，基于网络的遥操作机器人技术已和人类社会联系越来越紧密，比如在远距离探测、远程医疗、互联网加工等领域都具有广阔的应用前景。在人工智能技术发展水平有限的情况下，结合人的智能，实现带有各种信息反馈的机器人遥操作技术是满足人类在各种极端作业环境下工作的关键。但是网络本身存在的随机延时一直是影响遥操作性能的核心问题，若处理不好会降低遥操作系统性能，甚至造成系统的不稳定。在假定从端机器人系统为事件驱动的条件下，来自主端的指令包在从端机器人系统的执行时间对主、从端的同步性具有决定性影响。因此本文将从单向延时抖动预测的角度探索机器人遥操作系统力反馈控制问题。在单向网络延时抖动预测框架中加入力反馈技术可以实现在主、从端系统状态同步基础上的力反馈控制，提高遥操作系统的可操作性。针对基于单向延时抖动预测的机器人遥操作系统的控制问题，本文首先通过单向延时测试程序对单向延时抖动数据进行了采集和分析，提出了多元线性回归和自回归滑动平均模型两种预测算法，实现了对系统单向延时抖动的预测。然后对机械臂末端刚性碰撞下的反馈力分为两个阶段进行控制，即非接触阶段和冲击震荡阶段，在非接触阶段采用固定参数的非接触阻抗控制使机械臂得到期望的虚拟力，冲击震荡阶段采用消抖控制来抑制末端回弹位移，减小碰撞震荡持续时间。最后以力反馈操纵杆为主端控制器，在Visual C++6.0环境下用OpenGL搭建了实验平台，并利用两种预测算法进行单向延时抖动预测实验。实验结果表明本文提出的方法能够实现遥操作系统的平稳的力反馈控制。

目录

声明

摘要

1．1研究目的与意义

1．2遥操作系统的国内外研究现状分析

1．2．1国内发展状况

1．2．2国外发展状况

1．3遥操作系统的控制算法

1．3．1直接控制

1．3．2监督控制

1．3．3共享控制

1．3．4预测显示控制

1．3．5双边控制

1．4现有研究存在的问题及本文研究内容

1．4．1现有研究存在的问题

1．4．2本文研究内容及章节安排

第2章基于单向延时抖动预测的机器人遥操作系统控制框架

2．1基于Internet的遥操作系统

2．2网络遥操作系统的延时抖动

2．3网络遥操作系统的单向延时抖动及其预测

2．3．1单向延时抖动测试与数据分析

2．3．2主从端单向延时预测系统

2．4网络遥操作系统的单向延时抖动预测算法

2．4．1多元线性回归预测

2．4．2自回归滑动平均模型预测

第3章单向延时抖动预测控制系统建模

3．1虚拟环境编程接口

3．2 VC6．0环境下的OpenGL编程

3．3虚拟环境实体建模

3．3．1实体模型绘制

3．3．2实体模型组装显示

3．4机器人运动学建模

3．4．1机器人正运动学

3．4．2机器人逆向运动学

3．5主从端的通信实现

3．5．1主从端的通信协议

3．5．2主从端通信的数据包格式

第4章单向延时抖动预测框架下的力反馈控制

4．1虚拟环境动力学建模

4．2反馈力的播放实现

4．2．1反馈力的播放平台

4．2．2反馈力的增频与优化

4．3基于单向延时抖动预测的力反馈控制

4．3．1反馈力的非接触控制

4．3．2冲击震荡阶段控制

4．3．3平顺的力反馈输出实现

第5章实验结果分析

5．1基于ARMA模型预测的遥操作实验结果

5．2基于多元线性回归模型预测的遥操作实验结果

5．3实验结果分析

5．4反馈力控制实验

6．1全文总结

6．2展望

参考文献

致谢