主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法技术

本发明专利技术属于机械手智能控制技术领域，具体涉及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法，设计步骤包括：主、从机械手参考阻抗模型设计；主、从机械手控制律设计；主、从机械手自适应估计律设计；主、从机械手干扰上界估计律设计。与现有技术相比，其有益效果是，本发明专利技术针对主、从机械手存在关节摩擦、测量不确定、外界不确定干扰造成的主从机械手模型不确定问题，所设计的控制器具有自适应特征，并且能够抑制外界不确定干扰，可以实现模型不确定条件的鲁棒性能，进而实现主从式遥控机械手系统中主、从机械手力

【技术实现步骤摘要】
主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法


[0001]本专利技术属于机械手智能控制
，尤其是涉及面向主从式遥控机械手系统中实现主、从机械手力
‑
位置协同一致同步的控制器设计领域，属于遥控机械手控制律设计范畴，具体涉及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。

技术介绍

[0002]主从式遥控机械手系统是一种人机交互系统，主要用于人类无法到达或者危及人类生命安全的场景，或者通过主从式遥控机械手技术来提高操作效率和控制精度，特别是深海探测、废物处理、空间探测等场合。
[0003]在主从式遥控机械手系统中，操作者在本地安全环境下或者实验室环境操作本地主机械手，本地主机械手控制器采集主机械手的位置信息通过控制网络传递至远处从机械手做位置跟踪，同理远端从机械手与操作对象交互力被从机械手控制器采集通过通讯网络传送至本地主机械手控制器作力跟踪，本地主机械手控制器实现操作者施加力与远端从机械手与操作对象交互力的控制匹配，实现主从机械手操作者力与机械手位置一致同步目的。避免了操作者处于远端危险环境中并且完成了操作任务的目的。
[0004]主从式遥控机械手系统中的关节摩擦是影响整体结构透明性的重要因素，从机械手端所受环境力比较小时，主端由于摩擦的作用并不能将该作用力完好的反馈给操作者。并且由于主从式遥控机械手一般由减速电机等驱动部件组成，使得系统的摩擦特性存在很大的非线性。机械手关节长度、质量以及运动位置存在测量误差问题，也会给机械手模型设计带来误差，机械手运动过程受到不确定阻力等不确定扰动，对于保证系统全局稳定并实现主从机械手力
‑
位置跟踪的主从式遥控机械手系统控制律设计带来困难。由于不确定性的存在，使得机械手模型无法真实得知，无法通过线性系统的伺服控制理论设计控制器。针对主、从机械手存在关节摩擦、测量不确定、外界不确定干扰造成的主从机械手模型不确定问题，如何使主从式遥控机械手系统控制器设计在保证整体系统稳定性前提下，提高系统的透明性及鲁棒性，将位置、力信号能够同步的在从机械手、主机械手上复现，依然是主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计的整体控制目标。
[0005]因此，亟需研发一种针对主从式遥控机械手操作过程中主、从机械手动态模型不确定及外部干扰问题，实现操作过程中柔顺性性能及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种针对主从式遥控机械手操作过程中主、从机械手动态模型不确定及外部干扰问题，实现操作过程中柔顺性性能及主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法，包括如下步骤：
[0009]S1、主、从机械手参考阻抗模型设计：
[0010]通过主机械手控制器采集主机械手操作力F
h
，并通过网络通讯获取从机械手控制器发送过来的从机械手与操作对象交互力F
e
，根据F
h
、F
e
设计主机械手参考阻抗模型，该模型为基于主机械手操作力F
h
与从机械手与操作对象交互力F
e
误差的二阶模型，其数学表达式为：
[0011][0012]式(1)中，M
md
、B
md
分别是主机械手期望阻抗模型的虚拟惯性和阻尼，均为正定对角矩阵；x
imm
为主机械手参考阻抗模型输出的主机械手参考位置，并作为主机械手操作空间位置x
m
的跟踪目标。
[0013]通过从机械手控制器采集从机械手与操作对象交互力F
e
，根据该交互力F
e
设计从机械手参考阻抗模型，该模型为基于从机械手末端位置与参考位置误差与从机械手与操作对象交互力F
e
之间的阻抗模型，其数学表达式为：
[0014][0015]式(2)中，M
sd
、B
sd
、K
sd
分别是从机械手阻抗模型的虚拟惯性、阻尼和刚度，均为正定对角矩阵；表示从机械手末端位置与参考位置误差，为从机械手参考阻抗模型的输出；从机械手控制器获取主接收端通过通讯网络发送过来的主机械手操作空间位置x
m
，计算作为从机械手参考位置，为从机械手操作空间位置x
s
的跟踪目标。
[0016]S2、主、从机械手控制律设计：
[0017]为了实现主机械手操作空间位置x
m
对主参考位置输出x
imm
的期望位置跟踪，建立基于位置误差和速度误差的滑模面函数方程：其中：为主机械手操作空间位置x
m
与主机械手参考阻抗模型输出参考位置x
imm
的差；设计主机械手的参考变量r
m
为：可得滑模面函数s
m
与参考变量r
m
的关系为：根据s
m
、r
m
设计主机械手控制律τ
m
，其表达式为：
[0018][0019]式(3)中，分别为主机械手的惯性量M
m
(q
m
)、离心力与哥氏力的和重力项g
m
(q
m
)、摩擦力矩相应的估计值；为主机械手雅克比矩阵；q
m
、为主机械手的关节位移、速度、加速度；s
m
为和期望位置x
imm
和操作空间位置x
m
相关滑模函数；η
m1
、η
m2
分别为和s
m
、x
imm
、x
m
相关的列向量；K
pm
为正定矩阵，表示主机械手比例系数；||
·
||为Euclidean范数；为和η
m1
、η
m2
、q
m
、相关的线性回归矩阵；为主机械手不确定项的估计值；Θ
m
为主机械手
不确定外部干扰项的估计值；a
m
为一正常数；t为仿真时间。
[0020]为了实现从机械手操作空间位置x
s
对从参考位置输出x
ims
的期望位置跟踪，建立基于位置误差和速度误差的滑模面函数方程：其中：为从机械手操作空间位置x
s
与从机械手参考阻抗模型输出参考位置x
ims
的差。设计从机械手的参考变量r
s
为：可得滑模面函数s
s
与r
s
的关系为：根据s
s
、r
s
设计从机械手控制律τ
s
，其表达式为：
[0021][0022]式(4)中，分别为从机械手的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.主从式遥控机械手力与位置同步的控制器设计方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、主、从机械手参考阻抗模型设计，其中：主机械手参考阻抗模型为基于主机械手操作力F
h
与从机械手与操作对象交互力F
e
误差的二阶模型，其数学表达式为：式(1)中，M
md
、B
md
分别是主机械手期望阻抗模型的虚拟惯性和阻尼，均为正定对角矩阵；x
imm
为主机械手参考阻抗模型输出的主机械手参考位置，并作为主机械手操作空间位置x
m
的跟踪目标；从机械手参考阻抗模型为基于从机械手末端位置与参考位置误差与从机械手与操作对象交互力F
e
之间的阻抗模型，其数学表达式为：式(2)中，M
sd
、B
sd
、K
sd
分别是从机械手阻抗模型的虚拟惯性、阻尼和刚度，均为正定对角矩阵；表示从机械手末端位置与期望位置误差，为从机械手参考阻抗模型的输出；S2、主、从机械手控制律设计，其中：主机械手控制律τ
m
表述为：式(3)中，分别为主机械手的惯性量M
m
(q
m
)、离心力与哥氏力的和重力项g
m
(q
m
)、摩擦力矩相应的估计值；为主机械手雅克比矩阵；q
m
、为主机械手的关节位移、速度、加速度；s
m
为和期望位置x
imm
和操作空间位置x
m
相关滑模函数；η
m1
、η
m2
分别为和s
m
、x
imm
、x
m
相关的列向量；K
pm
为正定矩阵，表示主机械手比例系数；||
·
||为Euclidean范数；为和η
m1
、η
m2
、q
m
、相关的线性回归矩阵；为主机械手不确定项的估计值；Θ
m
为主机械手不确定外部干扰项的估计值；a
m
为一正常数；t为仿真时间；从机械手控制律τ
s
表述为：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建军，韩素敏，陈波，李斌，崔立志，李沙沙，吴中华，赵运基，黄凯征，刘群坡，花岛直彦，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：