时延双边遥操作机器人系统控制方法研究

发布时间:2018-08-28 06:01
【摘要】:随着空间技术,海洋技术和原子能技术等领域的快速发展,迫切需要大量工作在危险和未知环境下的高级机器人,而全自主机器人在这些环境中灵活作业目前仍不现实,因此,能扩展人的能力去操控远端设备的遥操作机器人吸引了大量研究者的目光。遥操作机器人系统中,通信时延是不可避免的,它将影响交互式遥操作机器人系统的工作性能,甚至会造成系统的不稳定。所以,研究如何对通信通道具有时延的遥操作机器人系统进行控制器设计具有理论意义和应用价值。本文以稳定性和主从机之间的跟踪性能为主要目标,基于Lyapunov泛函方法,利用Youla参数变换、LMI工具及优化思想,研究了遥操作机器人系统在通信通道具有时延的情况下的各种控制器的设计方法。本文的研究工作和创新成果如下:1)针对通信时延为固定时延的线性遥操作机器人系统,利用分散控制器的二次不变性,提出了一类遥操作机器人系统的稳定控制框架,保证了系统在通信时延从无到有时的稳定性。框架模拟分离出外部输入力所产生的输出信号,并仅将其作为控制器的参考信号,该控制框架无需对操作力和环境进行任何假设;2)针对通信时延是时变时延且操作者和环境为非无源的情况下的遥操作机器人系统,研究了一种保性能控制器设计方案,并推导出闭环系统稳定的时滞相关稳定性判据及优化控制算法,保证了主从机之间的位置跟踪性能,速度跟踪性能和作用力跟踪性能;3)针对固定通信时延的非线性遥操作机器人系统设计了一种加速度反馈控制方案,并给出了闭环控制系统输入状态稳定判据。该方案在主机器人端使用从端反馈的加速度信号,从机器人端利用位置误差和非线性阻尼的叠加信号,避免了接触不稳定问题,撤销了对从端外部环境和主端操作手的无源性的假设,与其他方法相比,此方法加快了系统同步的速度,提高了跟踪性能;4)针对时变通信时延的非线性遥操作机器人系统设计了一种加速度反馈控制方案,并给出了闭环遥操作机器人系统稳定的小增益条件。该方案在主机器人端使用从端反馈的加速度信号,从机器人端利用位置误差和线性阻尼的叠加信号,保证了系统在前向和反向通信时延时变且具有上下界的情况下的稳定性。
[Abstract]:With the rapid development of space technology, marine technology and atomic energy technology, there is an urgent need for a large number of advanced robots working in dangerous and unknown environments. Telebot, which can expand human ability to control remote devices, has attracted the attention of a large number of researchers. In teleoperation robot system, communication delay is inevitable, which will affect the performance of interactive teleoperation robot system, and even cause instability of the system. Therefore, it is of theoretical significance and practical value to study how to design the controller of tele-robot system with communication channel delay. This paper aims at stability and tracking performance between master-slave computers, based on Lyapunov functional method, using Youla parameter transformation tool and optimization idea. In this paper, the design methods of various controllers for teleoperation robot systems with communication channel delay are studied. The research and innovation of this paper are as follows: 1) for linear teleoperation robot systems with fixed communication delay, a stable control framework for a class of tele-robot systems is proposed by using the quadratic invariance of decentralized controllers. The stability of the system is ensured when the communication delay starts from scratch. The frame simulates the output signal generated by the external input force and uses it only as the reference signal of the controller. This control framework does not need to assume any operation force and environment. A design scheme of guaranteed cost controller is proposed to solve the problem that the communication delay is time-varying and the operator and environment are non-passive. The delay-dependent stability criterion and optimal control algorithm of closed-loop system are derived to ensure the performance of position tracking, velocity tracking and force tracking between master and slave. 3) an acceleration feedback control scheme is designed for the nonlinear teleoperation robot system with fixed communication delay, and the stability criterion of the input state of the closed-loop control system is given. In this scheme, the acceleration signal feedback from the end of the main robot is used, and the superposition signal of position error and nonlinear damping is used from the end of the robot to avoid the problem of contact instability. Compared with other methods, this method speeds up the synchronization of the system and improves the tracking performance. 4) an acceleration feedback control scheme is designed for nonlinear telerobot systems with time-varying communication delay, and a small gain condition for the stability of closed-loop teleoperation robot systems is given. The scheme uses the acceleration signal feedback from the end of the main robot and the superposition signal of position error and linear damping from the end of the robot to ensure the stability of the system under the condition that the forward and reverse communication delay is time-varying and has upper and lower bounds.
【学位授予单位】:北京科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TP242

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 倪涛,赵丁选,巩明德;遥操作工程机器人遥控端软件设计[J];工程机械;2003年02期

2 丑武胜,战强;空间遥操作机器人系统控制参考模型[J];宇航学报;2003年04期

3 陈俊杰,黄惟一;遥操作机器人系统克服时延影响的关键技术[J];华中科技大学学报(自然科学版);2004年S1期

4 芮素波;曾庆军;;基于网络的遥操作机器人系统传输时延研究[J];计算机工程与应用;2006年27期

5 石锦;曾庆军;;网络遥操作机器人系统视频传输及同步技术[J];江苏科技大学学报(自然科学版);2007年01期

6 宋长会;郭庆昌;刘来华;姜婷;;遥操作机器人系统图像实时采集及传输技术[J];计算机测量与控制;2009年07期

7 沈显庆;关显华;;遥操作机器人系统的位置差-力差双向控制策略研究[J];机械制造与自动化;2012年02期

8 崔建伟;;东南大学研制成功小型核化探测与应急处理遥操作机器人[J];机器人技术与应用;2012年01期

9 刘金良;田恩刚;顾洲;;多自由度遥操作机器人可靠性控制研究[J];中国科学:信息科学;2012年09期

10 符秀辉;张鹏;;基于时延切换的遥操作机器人控制研究[J];系统工程学报;2012年04期

相关会议论文 前10条

1 欧阳淑丽;韩冰;贾鑫;刘颖;;多遥操作方式的网络遥操作机器人系统实现[A];第七届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2009年

2 刘建邦;赖旭芝;吴敏;陈鑫;;嵌入式遥操作机器人系统设计[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年

3 曾庆军;王捍兵;徐晶晶;;基于软组织环境的遥操作机器人系统预测控制研究[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

4 郑敏;费树岷;;遥操作机器人系统的透明性控制[A];中国计量协会冶金分会2007年会论文集[C];2007年

5 曾庆军;赵呈涛;王艳;;基于软组织环境的遥操作机器人系统滑模变结构控制研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

6 石正坤;刘满禄;谢云;;辐射环境下遥操作机器人防撞系统的设计[A];中国核科学技术进展报告(第二卷)——中国核学会2011年学术年会论文集第5册(辐射防护分卷、核化工分卷)[C];2011年

7 鉴萍;李歧强;;遥操作机器人系统的内模预测控制[A];第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集[C];2005年

8 王谦;符秀辉;;基于手机的网络遥操作机器人系统实现研究[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(3)[C];2008年

9 曾庆军;徐涛;徐晶晶;宋爱国;田小峰;;时延力觉临场感遥操作机器人系统预测控制研究[A];江苏省自动化学会七届四次理事会暨2004学术年会青年学者论坛论文集[C];2004年

10 陈俊杰;薛晓红;黄惟一;宋爱国;华亮;张齐;;基于虚拟现实技术的遥操作机器人的鲁棒性控制策略研究[A];2003年中国智能自动化会议论文集(下册)[C];2003年

相关博士学位论文 前10条

1 李玉玲;时延双边遥操作机器人系统控制方法研究[D];北京科技大学;2016年

2 陈启宏;遥操作机器人系统的智能控制研究[D];东南大学;2003年

3 李会军;空间遥操作机器人虚拟预测环境建模技术研究[D];东南大学;2005年

4 张波;考虑安全性的遥操作交会共享控制方法研究[D];国防科学技术大学;2014年

5 赵迪;变时延环境下的任务级遥操作关键技术研究[D];华中科技大学;2011年

6 高龙琴;力反馈数据手套与遥操作机器人系统研究[D];东南大学;2006年

7 侯敬巍;基于虚拟现实的遥操作工程机器人系统研究[D];吉林大学;2008年

8 文广;双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究[D];吉林大学;2008年

9 倪涛;有力觉及视觉临场感的遥操作机器人系统研究[D];吉林大学;2006年

10 崔峰;面向虚拟现实和遥操作的移动机器人同步定位与地图创建技术研究[D];河北工业大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 梁峰;三维场景实时重建技术在遥操作机器人上的实现[D];西南科技大学;2015年

2 李川渠;遥操作机器人尾线收放装置设计研究[D];西南科技大学;2015年

3 赵呈涛;医疗遥操作机器人系统建模与分析研究[D];江苏科技大学;2012年

4 郭培琴;遥操作机器人系统时延分析及滑模控制研究[D];东北大学;2010年

5 杨玉振;遥操作机器人平台研究[D];济南大学;2014年

6 宋娟;网络遥操作机器人的时延控制[D];吉林大学;2009年

7 王跃虎;基于虚拟现实的遥操作机器人研究[D];河北工业大学;2006年

8 宋鸿亮;遥操作机器人系统的主—从双向伺服控制方法研究[D];吉林大学;2007年

9 周军;网络遥操作机器人系统模糊变结构控制研究[D];江苏科技大学;2011年

10 王敏;网络遥操作机器人系统时延控制方法研究[D];吉林大学;2012年



本文编号:2208458

资料下载
论文发表

本文链接:https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/2208458.html


Copyright(c)文论论文网All Rights Reserved | 网站地图 |

版权申明:资料由用户4ddff***提供,本站仅收录摘要或目录,作者需要删除请E-mail邮箱bigeng88@qq.com