一种遥操作机械臂系统的时延控制方法

摘要

一种遥操作机械臂系统的时延控制方法，通过建立遥操作机械臂系统的线性化模型，进而设计状态观测器和状态反馈控制律，补偿时延造成的影响，实现有效的控制；针对遥操作机械臂系统的主从机械臂通信过程中存在随机时延问题，提出一种时延控制方法，从而实现系统的稳定和主从机械的同步控制。通过建立遥操作机械臂系统的线性化模型；根据求得的模型设计状态观测器；设计状态反馈控制律，补偿了时延造成的影响，实现了有效的控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械臂控制领域，特别是一种遥操作机械臂系统的时延控制方法。

背景技术

遥操作机械臂能在人类难以到达或具有危险的环境中作业，根据既定的程序和目标完成复杂的工作。遥操作机械臂系统目前已被广泛应用在太空和深海探索、军事、工业和医疗等各个领域，具有广阔的应用前景。

机械臂系统在遥操作过程中的随机时延是一个不可忽略的问题。时延会导致系统操作的不同步，降低遥操作性能，甚至导致系统失稳。现有的远程规划、双边控制等方法存在对系统的先验知识要求较高，对系统参数摄动及噪声的鲁棒性差等问题。此外，系统建模误差、环境干扰、器件老化等问题也会对遥操作机械臂系统的控制问题造成进一步的影响。因此，针对上述问题，寻求一种更有效的遥操作机械臂系统的时延控制方法是一个值得研究的问题

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提出一种避免系统建模误差、环境干扰、器件老化等问题，可有效实现延时控制的遥操作机械臂系统的时延控制方法。

本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，一种遥操作机械臂系统的时延控制方法，其特点是：包括以下步骤：(1)建立遥操作机械臂系统的线性化模型，其关节空间的非线性动力学模型为：

其中q∈Rⁿ为关节角位置，τ∈Rⁿ为输入力矩向量，M(q)∈R^n×n为惯性矩阵，为离心力和哥氏力矩阵，C(q)∈Rⁿ为重力项，为外部摩擦力；

(2)定义线性组合变量q_r＝-Λq，其中Λ是一个正定的对角矩阵，可得：

(3)采用下标m和s区分主机械臂和从机械臂的相关参数，由②式可得：

(4)对步骤(3)中遥操作机械臂系统的主、从机械臂分别采用如下非线性反馈控制律：

可得：

其中即为需要施加的控制量，在遥操作过程中存在时变时延d_t，主从机械臂的位置跟踪误差可定义为：

e_m(t)＝q_m(t-d_t)-q_s(t),

(5)设计状态观测器，定义状态变量可得扩张系统：

其中，C_m＝[I>

式⑧中的状态量x_o是对状态量x的估计，观测器增益矩阵L可通过对闭环特征方程|sI-(A-LC_m)|进行极点配置选取。

(6)设计式⑤中的控制律U，其形式为：

U＝Kx_o⑨

其中，矩阵K₁和K₂可以通过对闭环特征方程|sI+Λ|²|sI-K₁||sI-K₂|进行极点配置求取。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：通过建立遥操作机械臂系统的线性化模型，进而设计状态观测器和状态反馈控制律，补偿时延造成的影响，实现有效的控制；针对遥操作机械臂系统的主从机械臂通信过程中存在随机时延问题，提出一种时延控制方法，从而实现系统的稳定和主从机械的同步控制。通过建立遥操作机械臂系统的线性化模型；根据求得的模型设计状态观测器；设计状态反馈控制律，补偿了时延造成的影响，实现了有效的控制。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的仿真结果示意图。

具体实施方式

一种遥操作机械臂系统的时延控制方法，包括以下步骤：(1)建立遥操作机械臂系统的线性化模型，其关节空间的非线性动力学模型为：

其中q∈Rⁿ为关节角位置，τ∈Rⁿ为输入力矩向量，M(q)∈R^n×n为惯性矩阵，为离心力和哥氏力矩阵，C(q)∈Rⁿ为重力项，为外部摩擦力；

(2)定义线性组合变量q_r＝-Λq，其中Λ是一个正定的对角矩阵，可得：

(3)采用下标m和s区分主机械臂和从机械臂的相关参数，由②式可得：

(4)对步骤(3)中遥操作机械臂系统的主、从机械臂分别采用如下非线性反馈控制律：

可得：

其中即为需要施加的控制量，在遥操作过程中存在时变时延d_t，主从机械臂的位置跟踪误差可定义为：

e_m(t)＝q_m(t-d_t)-q_s(t),

(5)设计状态观测器，定义状态变量可得扩张系统：

其中，C_m＝[I>

式⑧中的状态量x_o是对状态量x的估计，观测器增益矩阵L可通过对闭环特征方程|sI-(A-LC_m)|进行极点配置选取。

(6)设计式⑤中的控制律U，其形式为：

U＝Kx_o⑨

其中，矩阵K₁和K₂可以通过对闭环特征方程|sI+Λ|²|sI-K₁||sI-K₂|进行极点配置求取。

本发明以一对二自由度的机械臂组成的遥操作系统为例。选取主机械臂初始位置q_m＝[0.1>T，从机械臂初始位置q_s＝[0.4>T，根据步骤1)中所述方法求得e_m＝[-0.3>T，e_s＝[0.3>T，r_m＝[0.4>T，r_m＝[1.6>T；选取时变时延d_t＝0.2sin²(t)，求取仿真结果如图1所示，图中主从机械臂的位置跟踪误差e_m和e_s迅速趋于零，证明本专利所述方法能有效实现遥操作机械臂系统的时延控制。