力反馈双边遥操作系统的控制策略研究

摘要

通过为操作者提供与远处地点相同的环境条件，力反馈双边遥操作使人类拥有了在远程操控物体的能力。力反馈双边遥操作机器人有许多应用，如现代工厂的物资运输、太空探索、炸弹拆除和运送核感染物体，人类操作者不需要接触危险环境就可以完成这些任务。在力反馈双边遥操作系统中，评价遥操作系统性能的指标有两个：稳定性和透明度。力反馈双边遥操作使操作者可以把触觉和视觉相结合，然而，若通信通道存在时间延迟，力反馈可能导致系统不稳定。这种由时延引发的力反馈双边遥操作系统的不稳定已经成为研究者们需要解决的难题之一。透明度是遥操作系统的主要设计目标之一，因为透明度为操作者提供身临其境之感。透明度的评价标准有两个：从机械臂跟随主机械臂位置的准确程度和主机械臂接收到的从机械臂力反馈的准确程度。本论文针对这两个性能指标设计了两种力反馈双边遥操作系统的控制策略，控制策略采用了四通道结构、PBTDPA算法和时延预估器。本论文的主要研究内容如下： （1）研究并总结了现有的发展比较成熟的几种力反馈双边遥操作系统控制结构和控制算法，从中选取符合实际应用需求的PBTDPA算法进行改进。 （2）针对现有的二通道PBTDPA控制策略透明度低的缺点进行改进，由于四通道结构在理论上使力反馈双边遥操作系统达到完美的透明度，本论文把PBTDPA算法与四通道控制结构结合，并进行了改进后控制策略的仿真实验，仿真实验证明本论文设计的控制策略在稳定运行的情况下成功改进了该算法。 （3）由于本论文设计的四通道PBTDPA控制策略没有达到完美的透明度要求，本论文用时延预估器对这个控制策略进行改进，并进行了改进后控制策略的仿真实验，仿真实验证明了改进后控制策略可以稳定运行并且拥有比四通道PBTDPA控制策略更高的透明度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究课题的背景与意义

1.2 力反馈双边遥操作系统的研究难点

1.2.1 力反馈双边遥操作系统的稳定性

1.2.2力反馈双边遥操作系统的透明度

1.3 本论文的结构与主要内容

第二章 现有力反馈双边遥操作系统控制策略的研究

2.1 现有力反馈双边遥操作系统控制结构的研究

2.1.1 力反馈双边遥操作系统透明度的研究

2.1.2 二通道控制结构

2.1.3 三通道控制结构

2.1.4 四通道控制结构

2.2现有力反馈双边遥操作系统控制算法的研究

2.2.1针对固定未知时延的控制算法

2.2.2针对未知时变时延的控制算法

2.3 本章小结

第三章 四通道PBTDPA控制策略

3.1 二通道PBTDPA控制策略的介绍

3.2四通道PBTDPA控制策略的设计

3.2.1 通信通道的r无源

3.2.2 主、从端机械臂的r无源

3.2.3 操作者和环境端的r无源

3.2.4 从端机械臂比例控制器的r无源

3.3 四通道PBTDPA控制策略的仿真验证

3.3.1 自由运动下的仿真

3.3.2 接触运动下的仿真

3.4 本章小结

第四章 基于时延预估器的改进型四通道PBTDPA控制策略

4.1 时延预估器的介绍

4.2 改进型四通道PBTDPA控制策略的设计

4.2.1 时延预估器的r无源

4.2.2 主、从机械臂的r无源

4.2.3 操作者和环境端的r无源

4.2.4从端机械臂比例控制器的r无源

4.3 改进型四通道PBTDPA控制策略的仿真验证

4.3.1 自由运动下的仿真

4.3.2 有接触情形下的仿真

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本论文有待进一步研究的问题

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果