[发明专利]一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法

说明书

本发明公开了一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法。在传统四通道双边控制方法的基础上，本发明通过建立主从端动力学模型，加入时延补偿通信通道，在保证系统稳定性的同时，大幅度提升了系统的透明性。针对传统四通道双边控制方法在通信时延下存在的失稳现象，本发明提出了基于无源理论的修正波变量方法，减轻了传统波变量存在的波反射现象对系统透明性的影响，保证遥操作过程中的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明能够很好地保证遥操作系统在时延条件下的稳定性，同时提升从端的位置跟踪性能和力反馈的逼真度。本发明方法易于实现，主要可以用于遥操作系统的双边控制，保证系统的稳定性和透明性。

技术领域

本发明属于遥操作控制领域，具体来说是一种时延遥操作系统的四通道双边控制方法，在保证遥操作系统稳定性的同时提升遥操作系统的透明性。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，依靠人机交互工作方式的遥操作技术已经在航空航天、深海作业、医疗手术等领域发挥了重要的作用，具有广泛的应用前景。特别是具有力反馈的双边遥操作系统，提升了系统的透明性能，增强了操作者的临场感。然而，随着主从端距离的加大，系统在信号传输过程中会产生较大的通信时延，恶化了系统的稳定性。

以往的双边控制一般采用双通道结构，即二端口网络形式，主从端的力和速度分别表示网络中的电压和电流。尽管双通道结构能够保证遥操作系统完成基本的遥操作任务，但是系统的透明性能无法保证。为此，文献“Transparency in time-delayed systemsand the effect of local force feedback for transparent teleoperation”(K.Hashtrudi-Zaad.IEEE Transactions on Robotics and Automation,2002,18(1):108-114)提出了一种四通道双边控制方法，基于主从端阻抗匹配的思想，提升系统的透明性。然而，这一方法并未考虑系统固有的通信时延，为此，文献“Transparent Time-DelayedBilateral Teleoperation Using Wave Variables”(A.Aziminejad.IEEE Transactionson Control Systems Technology,2008,16(3):548-555)将双通道结构中基于无源理论的波变量双边控制方法引入四通道结构中，提出了波变量四通道双边控制方法，保证了在通信时延下的稳定性。但是，波变量的引入会引起波反射，恶化系统的透明性能。为此，本发明针对上述遥操作系统存在的稳定性和透明性权衡问题，改进波变量的结构，提出一种新的四通道遥操作双边控制方法，在保证遥操作系统稳定性的同时提升遥操作系统的透明性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于时延补偿的四通道遥操作双边控制方法，用以解决传统四通道遥操作系统的稳定性和波变量的引入恶化系统透明性等技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案具体内容如下：

本发明包括以下步骤：

步骤1：建立双边遥操作系统的动力学模型：

主端的动力学模型：

Z_cmV_m+(C₄V_s+C₂F_e)e^-Ts+b(C₃F_h+C₁V_m)＝(1+C₆)F_h(1)

从端的动力学模型：

操作者与主端相互作用的动力学模型：F_h＝F_h^*-Z_hV_m(3)