基于波变量的时延双边遥操作系统设计

针对波变量法在任意时延下能保证时延双边遥操作系统的稳定,但却降低主从端之间跟踪性的问题,提出一种改进基于波变量遥操作系统的设计方案;该方案引入PD控制器调整主从端速度误差,并采用PI控制器控制从端;最后,对调整和未调整的基于波变量双边遥操作系统分别进行仿真实验;实验结果表明,与未调整的系统相比,调整的系统在一定程度上极大地降低了主从端位置、速度和力的跟踪误差,使得该方案在保证系统稳定的前提下有效提高了系统透明性。     

时延遥操作系统控制的波变量法

时延稳定性是遥操作系统面临的难题之一.基于无源性理论的波变量法可以保证遥操作系统在任意时延下稳定,已成为遥操作控制系统设计的一个重要方法.本文对波变量法的理论基础、波变量与波控制器、实际使用中的注意事项以及波变量法的最新进展做了系统的、全面的阐述,并指出其未来的研究方向.     

大时延遥操作系统的波变量双边自适应控制

针对通信时延对遥操作系统稳定性和透明性的影响,研究了一种基于双边自适应控制和波变量理论的控制方法。通过设计波控制器保证通信传输模块的无源性,在保证系统稳定的基础上,调节波阻抗系数来提高系统的透明性,并在时延10 s的情况下进行主从端速度、位置和力的跟踪仿真实验,结果表明该方法和已有的双边自适应方法相比既能保证系统稳定且透明性好,达到较好的控制效果。     

多自由度遥操作系统控制的波变量法

为了将波变量方法用于多自由度遥操作系统,提出了一种更具一般性的多自由度遥操作系统的波变换公式,并扩展了公式参数的选择原则.首先分析了波变量法的原理,并用波变换矩阵替换波阻抗常数b得到多自由度系统的波变换公式.然后从能量的角度分析了波阻抗矩阵的选择原则,根据此选择原则扩展了波阻抗矩阵的选择方法和矩阵之间的约束关系.接着基于耗散理论,分析了扩展的波阻抗矩阵的无源性.最后以3自由度主从遥操作系统为例,分别进行了仿真实验和机器人遥操作实验,实验结果表明所提出的波变换公式能够保证多自由度遥操作系统在时延条件下的稳定性.     

无源散射变换的双边移动机器人网络遥操作

网络遥操作系统的随机时延给控制器设计带来巨大挑战,严重时破坏系统的稳定性。首先对遥操作无源理论及其波变量控制方法做了简单综述,然后提出直接无源散射变换方法,它将无源双边控制方法推广到具有随机时延的网络遥操作系统中去,保证网络遥操作系统在任何不对称随机网络时延情况下稳定。最后基于此变换方法设计了一个虚拟主从手双边移动机器人网络遥操作方案,并进行了仿真验证,结果表明结出的设计方法能满足系统性能要求。     

大时延力反馈双边控制系统

阐述了力反馈双边控制遥操作的基本思想,讨论了其稳定性和透明性,介绍了一种既能保证稳定性、又能提高透明性的力反馈双边控制方法．最后给出了力反馈遥操作实验系统的实现,在6s时延条件下成功完成了曲面跟踪任务．     

基于广义扩张状态观测器的遥操作系统同步控制

针对机械臂遥操作系统中存在的时变时延问题,提出了基于广义扩张状态观测器的控制方法,实现了遥操作系统稳定并且主从机械臂关节角位置同步的控制目标。首先通过反馈线性化,将遥操作系统的主从机械臂动力学模型转化为一个关于位置跟踪误差和时延的状态空间模型。针对该多输入多输出的干扰不匹配模型,设计了广义扩张状态观测器和相应的控制律,从而消除了时变时延以及其它扰动引起的不确定性对系统的影响,并对系统进行稳定性和抗扰性分析。最后,通过仿真验证了所设计的控制方法的有效性。     

遥操作机器人系统的鲁棒控制

针对遥操作系统传输通道中存在时延,造成系统不稳定和操作性能降低的问题,通过减小从外部作用力至跟踪误差的L2增益的方法,来抑制由于抓握作用力和环境力引起的位置,力跟踪误差.本文首先将遥操作机器人系统表示成状态空间形式,并且考虑到系统参数不确定性,将遥操作系统控制中存在的时延问题,跟踪问题转化为鲁棒H∞控制问题.实验结果表明了该方法的有效性.     

基于Web的机器人遥操作

目前,在基于Internet的遥操作中普遍存在着大时延和有限带宽的问题，严重降低了系统的稳定性与安全性。遥编程技术的提出为这些问题的解决开辟了一条很有希望的道路。应用这一技术，实现了一个基于Web的机器人遥操作实验系统。     

基于时延预测的遥操作机器人预测显示方法

为了解决大时变时延遥操作系统的预测显示问题,提出了一种基于时延预测的预测显示算法,该算法把时变时延在时间维度上对主从控制信号的拉伸和压缩作用看作是系统扰动,并利用时延在线预测结果对该扰动进行前馈补偿.首先,对基于预测显示的遥操作系统进行动力学建模,并计算出了包含时延扰动的预测显示机器人的期望控制量.然后,以时延组成最为复杂的空间遥操作系统为例,分析了遥操作系统通讯时延的产生机理,并根据其产生机理、模型和统计规律对通讯时延进行在线预测.最后,本文在理论上分析了利用时延预测结果对上述扰动进行补偿的可行性和有效性,并在理论验证遥操作平台上进行了对比实验.实验结果表明,在大时变时延下该算法的速度预测相对误差和接触力预测相对误差在误差峰值处分别比无时延预测的预测显示方法降低了30.9%和56%.     

Wave-based passive control for transparent micro-teleoperation system

A wave-based bilateral controller for a micro-teleoperation system is presented for stability and transparency via a passivity approach. We showed that the application of wave variable formalism allows the passivity of the system in spite of external perturbations and environment uncertainties. While most of the existing wave-based approach assumes LTI and fixed time-delay, this paper extends the research domain to a scaled teleoperation system with variable time-delay, asymmetric gains in force and velocity variables or model uncertainties in the microenvironment. Based on the wave-based analysis of a time-varying system, a variable gain controller is proposed in order to guarantee the passivity of the system. Furthermore, in scaled teleoperation there exist positive gain matrices (scaling position and force factors) that preserve its passivity only if gain matrices are equal, which is hard to find in a real system. In case the equality condition is not satisfied, we introduced filter functions with a set of conditions for two operating cases: a structurally dominated system and a surface-dominated system. Finally, as the nonlinear nature of small scale environments with unknown dynamic passivity condition can not be satisfied, we analyzed the constraints inevitably occurring in a micro-teleoperation system and derived conditions between the parameters. The stability is analyzed based on the passivity of the resultant operator–telemanipulator–environment system. The experimental results show clearly that the proposed passivity conditions ensure stability and transparency performances against variable time-delays and scaling factors.     

多自由度遥操作系统的适应性波预测控制

针对波预测方法用于多自由度遥操作系统预测模型适应性差的问题,提出了适应性波预测的控制方法。该方法利用波变量、适应性预测器来保证遥操作系统的稳定并提高系统的透明性和适应复杂多变作业任务的能力。设计三自由度主从遥操作实验,实验结果表明具有适应性的波预测器能够适应从端模型变化的作业环境,系统稳定且具有较高的透明性。     

A novel approach for stability and transparency control of nonlinear bilateral teleoperation system with time delays

In this paper, a novel control approach is presented to improve the stability and transparency of the nonlinear bilateral teleoperation system with time delays, where a four-channel (4-CH) architecture using modified wave reflection reduction transformation is explored in order to guarantee the passivity of the communication channels in the nonlinear bilateral teleoperation system; a sliding-mode controller is proposed to compensate for the dynamic uncertainties and enhance the system synchronization performance in finite time. The system stability has been analyzed using Lyapunov functions. The proposed method is validated through experimental work based on a 3-DOF bilateral teleoperation platform in the presence of time delays. The experimental results clearly demonstrate that the proposed control algorithm has superiority on system transparency over other wave-based systems.     

基于时域无源性控制的六足机器人双边触觉遥操作

随着六足机器人研究工作的深入,针对其遥操作系统的开发面临诸多挑战.为了弥补松软接触条件对系统可控性及稳定性的影响,提出一种基于时域无源性控制(time-domain passivity control,TDPC)的六足机器人双边触觉遥操作方法.其主从两端采取位置-速度的交互模式,通过分析足-地柔性接触的作用机理,构建无源观测器和无源控制律以补偿足底滑移所导致环境系统的潜在有源性,采用速度跟踪模式设计基于触觉力反馈的系统控制架构,并利用Llewellyn准则确定控制律参数的稳定范围.最后,搭建半物理仿真实验平台并验证所提出的双边触觉遥操作方法在松软地形条件下能够保证六足机器人遥操作系统的稳定,且兼具较好的持续跟踪能力.     

Model Predictive Control for Transparent Teleoperation Under Communication Time Delay

Prior efforts in bilateral teleoperation under communication delay have mainly yielded control algorithms that sacrifice performance in order to guarantee robust stability. In contrast, this paper proposes a multimodel predictive controller that can enhance the teleoperation transparency in the presence of a known constant delay. Separate controllers are designed for free motion/soft contact and contact with rigid environments, with switching between these mode-based control laws occurring according to the identified contact mode. Performance objectives such as position tracking and tool impedance shaping for free motion/soft contact, as well as position and force tracking for contact with rigid environments, are incorporated into a multi-input/multi-output state-space representation of the system dynamics. New Artstein-type state and measurement transformations are proposed to generate delay-free dynamics suitable for output-feedback control, based on the original dynamics with delays in various input and output channels. The application of the continuous-time linear quadratic Gaussian control synthesis to the resulting mode-based delay-free dynamics yields control laws that guarantee closed-loop stability and enhanced performance in each phase of teleoperation. The robustness of the mode-based controllers with respect to parametric uncertainty is analyzed. Experimental results with a single-axis teleoperation setup demonstrate the effectiveness of the proposed approach     

遥操作旋转运动梁系统多目标优化控制研究

本文以旋转运动柔性梁为对象,采用基于胞映射的多目标优化方法进行遥操作系统双边控制研究.首先建立遥操作旋转运动柔性梁系统动力学方程,其次考虑信号传输时滞和系统主从端跟踪误差信号设计主端控制器和从端控制器,并利用Lyapunov稳定性理论获得保证闭环控制系统稳定的控制增益所需要满足的条件.由于满足稳定性条件并不意味着好的控制性能,最后利用基于胞映射的多目标优化方法进行优化控制设计,得到同时满足多个不同目标的控制增益的Pareto最优解集.仿真结果表明所获得的控制增益能够有效实现遥操作系统主从端的信号跟踪,并且操作者能够及时感受到从端环境的变化.