[发明专利]一种非线性双边遥操作系统的自适应鲁棒控制方法

说明书

本发明公开了一种非线性双边遥操作系统的自适应鲁棒控制方法。针对双边遥操作系统的通信时延问题，本发明通过径向基神经网络模型对从端非功率环境参数进行在线估计，并将其传输回主端进行环境力的重构，从而避免了传统遥操作系统的无源性以及稳定性和透明性的权衡问题。针对双边遥操作系统的非线性、不确定性问题，本发明分别在主从端设计轨迹生成器，以及基于径向基神经网络的非线性自适应鲁棒控制器，并基于李雅普诺夫理论设计一种在线调整神经网络参数的自适应率，保证系统具备良好的渐进稳定性和收敛性。本发明能够较好地保证非线性双边遥操作系统的全局鲁棒稳定性，实现从端机器人的位置跟踪，并为操作者提供逼真的力反馈。

技术领域

本发明属于遥操作控制领域，具体来说是一种基于径向基神经网络的非线性双边遥操作系统的自适应鲁棒控制方法，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

随着自动化技术的进步，依靠人机交互的遥操作技术，即通过操作者在主端操作机器人实现对从端机器人的控制，由于具备高临场感、近实时同步操作的特性，已经在卫星维护、太空垃圾清理、海洋开发、医疗健康、核废物处理及核电站安全监控等领域得到了广泛的应用，并作为机器人应用领域的一种重要支撑技术得到了极大地重视和研究。

然而，信号在主从端通信通道的传输过程中会产生传输时延，从而导致主端机器人和从端机器人的动作不同步，极大降低了系统的透明性，甚至恶化系统的全局稳定性。此外，由于应用于实际作业的多自由度主从端机器人存在非线性和不确定性等问题，传统的基于无源理论的双通道和基于主从端动力学匹配的四通道遥操作结构都不能达到很好的控制效果。因此，针对遥操作系统的通信时延引起的系统稳定性和透明性权衡，以及多自由度主从端机器人引起的系统非线性、不确定性等问题，本发明提出一种基于径向基神经网络的非线性双边遥操作系统的自适应鲁棒控制方法，克服了系统不确定性以及外界干扰对系统性能的影响，并提高了系统的暂、稳态性能以及抗干扰性能，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径向基神经网络的非线性双边遥操作系统的自适应鲁棒控制方法，以解决传统遥操作系统存在的稳定性、透明性、非线性和不确定性等技术问题。

为实现上述目的，该发明的技术方案具体内容如下：

本发明包括以下步骤：

1)建立非线性双边遥操作系统的动力学模型，具体为：

1-1)建立主从端机器人的动力学模型

其中，和表示机械臂的位置、速度和加速度信号，D_m和D_s表示质量惯性矩阵，C_m和C_s表示科氏力/向心力矩阵，G_m和G_s表示重力矩阵，F_m和F_s表示摩擦力矩阵，d_m和d_s表示外界扰动和建模误差，τ_m和τ_s表示控制输入，τ_h和τ_e表示操作者操作力矩或者外界环境力矩，可由传感器测得。

上述模型具有如下特性：

①和为斜对称矩阵；

②公式(1)和(2)中的部分动力学方程可以写成如下线性方程的形式：

其中，W_m和W_s表示主从端机械臂的未知参数，Φ表示神经网络矩阵，和表示机械臂的理想速度和加速度信号。