[发明专利]基于对力与位置预测的多时延遥操作系统稳定性控制方法

说明书

本发明公开了一种基于对力与位置预测的多时延遥操作系统稳定性控制方法，通过估算从机器人所接触环境的环境刚度参数和环境阻尼度参数，从而预测出从机器人与环境的接触力，再利用扩展卡尔曼滤波算法预测从机器人位置，根据预测得到的接触力和位置，设计多时延遥操作系统对主机器人与从机器人的驱动控制律，最后利用主机器人与从机器人的驱动控制律分别控制主机器人与从机器人，从而实现多时延遥操作系统稳定性控制。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于对力与位置预测的多时延遥操作系统稳定性控制方法

背景技术

遥操作系统被广泛应用在各类遥远或者人类难以企及的环境之中，例如太空试验，海底探索，核废料的处理，远程康复训练等等领域。在医疗行业中可以拓展特殊技术人员的能力，远程控制来完成复杂的治疗工作，如跨国手术等。在如此众多的应用领域，由于信号传输距离遥远，主从机器人信号传输时产生了较大通信时延。W.R.Ferrell早在1996年指出，通信时延将会降低对从机器人位置与力的跟踪准确性，影响双边遥操作系统的稳定性，导致系统不稳定，从而对遥操作系统会造成不良影响。

为了消除时延对遥操作系统稳定性的不良影响，增强操作者对从机器人的临场感体验，其中有许多的突出的研究成果。例如Robert Anderson提出一种运用无源性理论和散射理论的控制算法，保证了遥操作系统中主从机器人和通信通道的无源性，即能够保证系统的稳定性。对从机器人与环境的接触反馈力的预测手段是近年比较热门的研究方向。Ganjefar提出在主机器人端添加Smith预估器将从机器人端与环境的接触力预测出来，改善双边遥操作系统面临的时延问题，其中针对的是常量时延问题，同时这是建立在系统模型已知的基础之上，若存在建模误差，也会导致系统不稳定。KM Deliparaschos提出对主机器人的状态预测，但不足于实现操作者的临场感体验。

本文通过采取对从机器人反馈力与位置的预测控制方法，提高对从机器人位置与力的跟踪准确性，以此消除通信时延对遥操作系统稳定性的不良影响，增强操作者对从机器人的临场感体验。

总结现有的遥操作系统存在如下缺点：

(1)主从机器人之间存在位置误差，导致遥操作系统中主从机器人产生运动迟滞，影响了遥操作系统的操作性能。

(2)从机器人传输到主机器人端的环境交互作用力存在时延，遥操作系统的力跟踪性能不能得到确保。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于对力与位置预测的多时延遥操作系统稳定性控制方法，通过建立从机器人环境接触力模型，运用扩展卡尔曼滤波算法对机器人位置进行预测，能够实现对主从机器人位置的跟踪与从机器人反馈力的跟踪，提高系统稳定性。

为实现上述发明目的，本发明一种基于对力与位置预测的多时延遥操作系统稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、估算从机器人所接触环境的环境刚度参数K_c和环境阻尼度参数B_c

(1.1)、根据从机器人传感器实时采集的环境接触力F_e与从机器人位置x_s，建立关系式：

对(1)式两边同时取对数，得：

其中，ε为测量误差；n为常数，其大小依赖于接触物质材料及其几何特性，取值介于1和2之间；

(1.2)、利用指数加权递归最小二乘法估算环境刚度参数K_c和环境阻尼度参数B_c

(1.2.1)、设置迭代次数k；

(1.2.2)、对公式(2)进行参数化；