基于系统性能指标的遥操作机器人双边控制策略研究

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遥操作机器人能够使人类通过主操作手来控制从操作手完成危险、远程或者更加精细的任务,给操作者提供真实的感受以及良好的操作性能,在空间技术、水下探索、外科手术和康复训练等场合有着广泛的应用。稳定性、透明性和跟踪性是设计遥操作机器人控制系统的主要性能指标。本文主要围绕遥操作机器人系统的性能指标对双边控制策略进行研究,使双边遥操作机器人系统的稳定性和操作性能达到动态平衡,在保证稳定性的基础上进一步提高遥操作机器人系统的操作性能。  对遥操作机器人系统的性能指标进行了理论分析,介绍了电路理论的端口网络结构相关知识,并基于二端口网络的模型分析了遥操作机器人双边控制系统的稳定性、透明性和跟踪性,为实现整个系统稳定性和透明性的动态平衡奠定了理论基础。  为了提高遥操作机器人从操作手对主操作手的跟踪性能,研究了一种自适应模糊控制策略。针对从操作手存在关节摩擦、外界干扰和负载变化不确定非线性因素等问题,通过模糊系统逼近的方法,对从操作手的不确定项进行补偿,使从操作手能够快速准确地按照主操作手的轨迹运动。为了减少模糊规则的数量,将从操作手动力学方程中的不确定项分解并设计新的控制律,提高了系统的鲁棒性和稳定性。  对双边遥操作机器人系统的稳定性和透明性进行分析,从一般的四通道双边控制体系结构出发,以阻抗匹配的方式分析双边遥操作系统的稳定性和透明性。研究了环境模型对遥操作系统性能指标的影响,分析混合矩阵参数与环境阻抗的关系,通过对环境模型进行估计的方式设计了三通道主从控制体系结构。分析遥操作机器人控制系统的稳定性,得到相应的稳定条件,与不考虑环境模型的控制器相比,进一步放宽了稳定条件,在频域范围对双边遥操作机器人控制系统进行透明性分析。  利用环境模型的先验知识,分析了医疗情况下的软组织模型,提出了利用最小二乘法对软组织模型进行参数估计,节省了从端力传感器的使用。并搭建了实验平台,将实验结果计算得到的软组织模型参数代入到控制系统中,在时域中通过仿真验证了双边遥操作机器人完全透明性控制器的透明性。
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