[发明专利]一种遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明是一种遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法，特别是一种应用于机器人控制领域的基于空载驱动力回归模型的遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法，属于遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法的改造技术。

背景技术

20世纪80年代对智能机器人的研究表明，由于机构、控制、人工智能和传感技术水平的限制，在短时间内尚难以研制出能在未知或复杂环境下工作的全自主式智能机器人。然而，随着诸如空间探索(卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探)、海洋开发(海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海底考古等)以及国防建设(战场、防化、扫雷、救护等)等领域的发展，迫切需要大量工作在危险和危害人体健康等环境下的高级智能机器人。于是，在如此情形下，遥操作机器人技术应运而生。

    遥操作机器人是指：在人的操作下，能够在人难以接近或对人有害的环境中，完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。为了使操作者有身临其境的感受，提高遥操作系统的工作性能，需要实时地为操作者提供工作现场的工作信息。其中，力反馈信息是遥操作系统中非常重要的一种信息。在遥操作系统中加入力反馈信息，使操作者产生力觉临场感，有助于操作者准确地了解工作现场及工作对象物体的状况，为准确地实施操作提供判断依据，可极大地提高工作效率。

为了使操作者产生力觉临场感，最直接的方法是在机器人的末端安装力传感器,将负载力直接反馈给操作者。但传感器易磨损，且受现场环境因素的影响,检测精度会降低。因此，间接提取负载力具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能间接提取遥操作机器人系统的负载力，实现准确实时的力反馈的遥操作机器人力反馈控制系统。

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种控制简单方便的遥操作机器人力反馈控制系统的控制方法。

本发明的技术方案是：本发明的遥操作机器人力反馈控制系统，包括有位置比较器、从控制器、从机器人、负载、空载驱动力回归模型、力比较器、主控制器、主机器人，位置比较器输出主从位置误差信号给从控制器，从控制器经控制运算后输出控制量控制从机器人以驱动负载, 空载驱动力回归模型在线辨识出空载驱动力, 力比较器将驱动负载的力与空载驱动力回归模型输出的空载驱动力的力差信号传给主控制器，主控制器输出控制量给主机器人，使其产生作用于操纵者的反馈力。 

上述空载驱动力回归模型根据从机器人运行时的位移、速度和加速度在线辨识出空载驱动力。

本发明的遥操作机器人力反馈控制系统的控制方法，包括如下步骤：

1）位置比较器输出主从位置误差信号Y_u给从控制器，从控制器（2）经控制运算后输出控制量U_s，控制从机器人驱动负载；

2)空载驱动力回归模型根据从机器人运行时的位移、速度和加速度在线辨识出空载驱动力F_n;

3)力比较器将驱动负载的力与空载驱动力回归模型输出的空载驱动力的力差信号F_s―F_n给主控制器；

3.1）当力差|F_s―F_n|大于设定的阈值e_f时，主控制器输出控制量U_m给主机器人，U_m=K(F_s―F_n)，其中K为主控制器的比例系数，主机器人产生作用于操纵者的反馈力F_m，使操作者产生力觉临场感，F_m=K_mU_m，其中K_m为主机器人的反馈力增益；

3.2）当力差|F_s―F_n|小于设定的阈值e_f时，主机器人不产生反馈力给操作者。

本发明的一种的遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法具有以下特点：

1）本发明利用机器人运动参数数据离线建立空载驱动力多元非线性回归模型，模型准确，建模便捷；

2）本发明利用空载驱动力多元非线性回归模型在线辨识空载驱动力以间接提取负载力，可避免直接检测负载力因受测量装置磨损及环境因素影响带来的检测精度降低问题。

3）本发明采用双边主从控制方法，控制结构简单，控制方法易于实现。

本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的遥操作机器人力反馈控制系统及控制方法。