基于力反馈手套与灵巧手的双边遥操作时滞依赖控制研究.pdf

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1、摘要 -II- Abstract In recent years, robotic multi-fingered dexterous hand and its teleoperation become one of the focus of the robotics fields, however, limited by the feature of force feedback devices, teleoperation system transparency decreased. In addition, the time delay in the teleoperation syste

2、m will bring stability problems, although many scholars have proposed a series of methods to solve the problem, but usually stability conditions established by these methods are independent to the time delay, those control system is bound to be conserved, and usually to guarantee the stability will

3、sacrafice the transparency of system, therefore, seeking a suitable control law to make an optimal choice between time delay stability and transparency has important significance. This article will study the time-delay dependent control base on master hand(HIT/DLR force feedback gloves)and slave han

4、d( HIT / DLR dexterous hand) . Firstly, by the kinematics and dynamics analysis, get the main information of the hand kinematics and dynamics, and these works are prepared for local controler desing. Master hand, for example, on the basis of kinetic analysis, followed by the joint position control d

5、esign, fingertip position control design, impedance control, access to have the desired dynamic characteristics of master-slave manipulator system, and impedance control experiment result will be given. Then, according to the local system, elaborate with a single degree for example, establish the ma

6、thematical model of the teleoperation system. Select the appropriate Lyapunov-Krasovskii functional, analyze the conservative of the delay-dependent control. Futher, based on the right to freedom of matrix method proposed by Wu Min, anylize the robust stabilizaton of the teleoperation system. Accord

7、ing to the method of Robust H controller design proposed by Wu M, the delay-depedndent robust H controller design method for input delay system is acquired. Thus, a method to design delay-dependent robust H controller is acquired. At last the numerical example and teleoperation experiment will be gi

8、ven. Keywords: Force feedback glove; Impadence control; Delay-dependent control; Robust Hcontrol 目录 -III- 目录目录 摘要 I Abstract . II 目录 . III 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.2.1 力反馈装置研究现状 1 1.2.2 遥操作控制研究现状 2 1.2.3 时滞依赖控制 8 1.3 课题的研究意义和研究内容 . 9 1.3.1 课题的意义 9 1.3.2 课题研究内容 10 第 2 章 遥操作硬件系统 . 11

9、2.1 引言 11 2.2 HIT/DLR 力反馈手套 11 2.2.1 力反馈手套机械机构 . 11 2.2.2 力反馈手套传感器系统 14 2.2.3 力反馈手套的硬件控制系统 15 2.3 HIT/DLR 灵巧手 . 17 2.3.1 灵巧手机械结构 17 2.3.2 灵巧手传感器系统 18 2.3.3 灵巧手的硬件控制系统 18 2.4 本章小结 . 19 第 3 章 主从手运动学与动力学 20 3.1 引言 . 20 3.2 力反馈手套运动学和动力学 . 20 3.2.1 手指运动学 20 3.2.2 连杆端的动力学分析 23 3.2.3 驱动端动力学 25 3.2.4 动力学参数预

10、处 26 3.3 从手运动学与动力学 . 28 目录 -IV- 3.4 本章小结 . 28 第 4 章 主从手局部控制 30 4.1 引言 . 30 4.2 阻抗控制基本原理 . 31 4.3 主手局部控制器设计 . 32 4.3.1 功能需求分析 32 4.3.2 基关节位置控制 33 4.3.3 指尖位置控制 39 4.3.4 阻抗控制器设计 41 4.4 从手局部控制器设计 . 44 4.5 本章小结 . 44 第 5 章 双边遥操作时滞依赖控制律研究 46 5.1 引言 . 46 5.2 遥操作系统数学模型 . 46 5.3 时滞依赖稳定性分析 . 49 5.4 时滞依赖鲁棒 H控制

11、. 54 5.5 双边遥操作时滞依赖控制实验 . 58 5.6 本章小结 . 60 结论 . 61 参考文献 63 攻读学位期间发表的学术论文 67 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 68 致谢 . 69 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -1- 第第1章章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 本课题源于国家自然科学基金项目“基于双向力反馈数据手套的多指灵巧手 双边遥操作时滞依赖控制的研究”（项目编号：51175107）。该项目旨在建立具 有较高操作性的机器人灵巧手双边遥操作系统。提出能够实时应用的、具有高稳 定性和强透明性的机器人灵巧手双边遥操作控制方法。并且完成不同形状和不同 质地物体的

12、双边遥操作抓取实验。 本课题作为项目的一部分，结合已有的DLR/HIT力反馈数据手套和DLR/HIT仿 人灵巧手，搭建遥操作平台，建立遥操作系统的模型，建立遥操作系统的时滞依 赖条件，验证所采用控制方法的有效性，以期所搭建的遥操作平台在时滞影响下 具有较好的稳定性与透明性。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 力反馈装置研究现状力反馈装置研究现状 手指力反馈装置（也称数据手套）可以分为外骨骼和内骨骼两种类型。外骨 骼力反馈数据手套有以下几种：美国的 Cyber-Grasp1、CMU 外骨骼手2，法国的 LRP3，日本的 Keio 力反馈主手4、Sensor Glove II5，意

13、大利触觉反馈主手6，德 国的医疗康复外骨骼手7以及中国科学院的 CAS-Grasp8, 9和哈尔滨工业大学的气 动力反馈数据手套10；内骨骼力反馈数据手套的典型代表是美国的 Rutgers Master II-ND11。 当前的外骨骼力反馈手套存在如下普遍问题12 ： 1）使用时需要与人手指指节进行固连；人手在自由弯曲和伸展时，对操作者 会产生一种约束感进而破坏自由空间的临场感。2）力反馈时，驱动器施加的力会 作用在手指的各段指节上，从而影响约束空间的临场感。3）大多外骨骼机构都采 用了腱传动(必须配备弹簧管)，很容易带来摩擦和滞后问题，使系统的控制问题变 得复杂13。4）只能在人手指尖的指腹

14、方向施加主动力，无法实现指背方向的力反 馈。 5） 集成度不高， 即驱动与外骨骼机构本身不为一体， 整个设备需要很多附件， 这也给操作者的使用带来不便。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -2- 针对上述问题，哈尔滨工业大学德宇航联合实验室研制了一款基于平行四边 形连杆的外骨骼关节的力反馈数据手套12, 14，在该力反馈数据手套指尖部分，采 用了光学测距传感器和反光板作为人机交互的接口，使操作者在佩戴力反馈装置 时不会受到来自穿戴力反馈装置带来的约束力，从而增强了力反馈装置的临场感。 图 1-1 哈工大 HIT/DLR 力反馈手套 1.2.2 遥操作控制研究现状遥操作控制研究现状 1.2.2.1

15、 时滞时滞对遥操作的影响对遥操作的影响 遥操作系统的两个重要性能指标即稳定性与透明性。稳定性是指由主从系统 及通讯环节构成的整个闭环系统的稳定性。透明性指操作者感受从手环境的能力。 借鉴电路阻抗的模型，定义透明性为主端操作者感受到的阻抗与从手端环境阻抗 的相等程度，两者之间相差越大，透明性越差；两者相等，系统完全透明。稳定 性是遥操作系统正常工作的基础。系统的透明性越好，操作者对从端系统的感知 能力也就越好，系统的操作性能自然就越好。 时滞会导致系统不稳定，很早就有学者探讨过时滞对系统的影响15。然而在 遥操作系统中这个问题更为复杂。因为通过选择合适的控制律可以使系统在一定 的时滞条件下保持稳

16、定性，然而通常这样的控制策略会使系统的透明性下降。这 两项性能指标本质上来讲是一对相对矛盾的指标。 在空间遥操作中，时滞的影响通常在两个方面16。第一，是来自视频图像的 延迟，这通常会影响操作者的操作流畅程度，针对此种问题，可以采用视觉预测 显示技术来实现连贯的控制操作，采用这种虚拟预测技术引入的控制已经不属于 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -3- 双边遥操作研究的范畴，通过“动-停-动”的策略，也可以回避这一问题。另 外一种就是力位信息的延迟，这是给控制系统带来稳定性问题的主要因素。 1.2.2.2 遥操作控制方式分类遥操作控制方式分类 遥操作的控制方式根据其结构可以分为： 直接控制、 监

17、督控制和共享控制17。 直接控制针对遥操作系统直接设计闭环控制器，选择合适的控制律以达到指定的 性能指标。监督控制是指操作者通过人机交互接口对远端机器人进行编程，因此 又被称为遥编程。远端机器人收到来自地面的符号指令后，与远端的作业环境进 行交互作用从而形成了闭合回路，通过这种控制方式将时滞排除在底层控制回路 之外，因而避免了时滞带来的系统不稳定。但是，监督控制结构性能的优劣取决 于远端机器人的智能程度，故监督控制在遥操作的实际应用中受到了较大的限制。 共享控制是在直接控制和监督控制的基础上进行的，远端机器人既能在操作者的 遥控操作下运作也能在自主控制下运作，这两种控制模式的平稳转换由共享控制

18、 实现，这种模式切换使控制问题复杂，制约着共享控制的应用。 直接控制结构中，一般不要求远端机器人具有较高的智能性，操作者发出的 指令通常是基本的运动控制指令。因此，直接控制的实际应用范围比监督控制要 广泛的多，但是时滞给遥操作系统也带来了很多稳定性与透明性的问题。根据操 作者是否直接接受远端环境的力反馈信息，直接控制方式遥操作又可分为基于虚 拟预测环境的遥操作和双边遥操作两类18。通常基于虚拟预测环境的遥操作可以 解决较大的时滞问题，而双边遥操作通常解决一些较小时滞问题。 1.2.2.3 双边双边遥操作控制方法遥操作控制方法 目前，关于双边遥操作系统的控制已经得到了国内外专家学者的广泛研究,由

19、 于国外在该方向的研究起步比国内早，该方向的经典理论及控制方法主要由国外 学者提出。图 1-2 为双边遥操作控制结构简图，针对此结构主要方法有基于无源 性的设计方法、基于 H理论的控制方法和其他控制方法等。 操作者 主机 器人 通讯 环节 从机 器人 环境 m x h x sd x s x m f md f s f e f 图 1-2 双边遥操作控制结构简图 1.2.2.3.1 基于无源性的控制方法基于无源性的控制方法 基于无源性的控制方法是目前双边遥操作中研究最深入、应用最广泛的一种 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -4- 控制方法。无源性是系统稳定性的充分条件，而且无源系统的串联、并联及反

20、馈 联接仍是无源的。因此双边遥操作中，基于无源性的控制方法的主要思路是采取 合适的变换方法使得存在时滞环节的整个闭环系统保持稳定。 基于无源性的控制方法目前主要有基于散射理论的方法（Anderson 法） 、波变 量法、其他方法。 在传输线理论中， 理想的无损传输线是无源的， Anderson 等人根据这一特性， 提出设计控制算法改变在通讯时滞环节两端传输的物理量，使得通讯环节等效于 无损传输线，从而解决时滞带来的系统不稳定19。 图 1-3 传输线理论示意图20 根据图 1-2 所示的控制结构示意框图，主从端的传输方程如式(1-1) () = ( ) () = ( ) (1-1) 其中、分别

21、表示主从手端的作用力，、分别表示主从端的速度。 双端口无损传输线的传输方程在频域内表示为 () = ()() + () () () = ()()() + ()() (1-2) 通过计算，可得到期望的传输方程 () = ( ) + 2() ( ) () = ( ) + 1 2 ( ) () (1-3) 式(1-3)中2为传输线的特征阻抗。 波变量法21 根据无源性理论，从能量的角度出发，在主从端引入波变量控制 器， 用波变量代替速度和力在主从系统间进行传递， 从而保证系统的无源稳定性。 波变量与速度、力之间的变换为 = (+ ) 2 = ( ) 2 (1-4) 波变换的实现图为 哈尔滨工业大学工

22、程硕士学位论文 -5- 图 1-4 波变量实现图21 在遥操作系统中引入波变换之后，可通过计算得到传输方程 () = ( ) + () ( ) () = ( ) + ( ) () (1-5) 其中为特征波阻抗。通过式(1-3)和式(1-5)可以看出，Anderson 法与波变量法 具有相同的形式结构。参数2、是两种方法中对系统稳定性与透明性进行调节的 唯一性能指标22。 除了以上两种基于无源性的控制方法外，一些学者提出了一些别的方法来保 证遥操作系统的无源性。Chopra 通过引入自适应控制律23，把主从系统看成输出 无源的两个系统，并且他们通过通讯网络进行位置同步。这种方法不使用波变量 法类

23、似的变换方法，而是直接按如下关系式计算输入力 = ( ) () = ( ) () (1-6) 其中 0为可调整参数，为与位置线性相关的控制量。通过此种控制量可 以保证系统指数收敛到原点。 Lee 和 Spong 提出了一种类 PD 控制律24，其关系如下式 () = () () ( 2 ) () ( 2 ) () = () () ( 1 ) () ( 1) (1-7) 当参数结合一些频域条件时，可以保证系统在整个闭环条件下保持稳定。 前述基于散射理论和波变量法的双边遥操作在面临时变时滞时，往往会由于 这些传递的变量的失真引入附加能量项到通讯系统中，从而影响到系统的无源性。 Lozano 提出了

24、一种标度信号变量的方法25，使遥操作中传递的能量项与时滞的时 变无关，针对变换后的能量项，又可以重新获取其无源的充分条件。 一般的基于散射理论或波变量法的双边遥操作系统通常存在这样一个问题， 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -6- 由于主端传到从端的除了从手控制力外还包括主手的虚拟速度，主端传到从端的 除了主手速度外还有从手的虚拟控制力。因此在主从手两端传递的并不是确切的 速度信息，在一些瞬态响应和数字误差的影响下，很容易会引起主从两系统间位 置的偏差，即位置漂移的问题26, 27。尤其在变时滞情况下，这一问题变得更加尖 锐。对此众多学者进行了研究与分析。针对固定时滞下，Niemeyer 和

25、Slotine 针对 波变量法，提出在波变量的接收端，整合波变量以及波变量的积分项作为最终的 接收信号，从而解决了位置漂移的问题。在时变时滞条件下，Niemeyer 和 Slotine 提出了一方法，通过传递波变量的积分项（因为其中包含了主从端的位置信息） ， 波变量二次方的积分项（表征能量的信息）来补偿位置漂移以及由于时变时滞引 起的附加能量，从而解决时变时滞引发的位置漂移问题以及导致系统无源性受影 响的问题26。Chopra 提出了与 Niemeyer 方法相似的结构，同样解决了时变时滞下 位置漂移的问题25 。 图 1-5 Niemeyer 和 Slotine 对固定时滞下位置漂移解决方

26、法 1.2.2.3.2 基于基于 H理论的控制方法理论的控制方法 Leung 提出了一种鲁棒 H控制结合综合的遥操作控制器28， 该控制器针对 自由空间和约束空间分别设计控制器，但是在该方法中，将时滞作为扰动来而不 是系统参数来处理。 Boukhnifer 将该方法进一步扩展29， 考虑一种固定时滞的近似 关系，使得可以根据经典 H控制理论来进行控制器设计。但是以上两种方法均 不适用于时变时滞。Fattouh 和 Sename 提出了一种 H控制器30可以解决时变时 滞问题，但是该方法具有较大的保守性。Olivier Sename 和 Anas Fattouh31, 32考虑 环境不确定性的因

27、素下，针对固定时滞下时滞独立条件和时变时滞下时滞依赖条 件，在时滞独立条件无法获取时，通过 Nyquist 图像法来保证系统的鲁棒稳定，该 方法相对降低了保守性。 1.2.2.3.3 滑模滑模控制方法控制方法 Buttolo， Braathen 和 Hannaford33首先将滑模控制应用于单自由度的遥操作系 统，之后 Cho，Park，Kim 等人32, 34, 35将该方法扩展到时变时滞条件下。这种方法 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -7- 的主要思路是引入一个包含主从系统位置与速度误差的滑模面，其可表示为 = + (1-8) 其中 = ，其中k是位置比例因子，标准方法是基于控制律可以实

28、 现系统在滑模面上的渐进稳定。但是这很大程度上依赖于主从系统与操作者和环 境之间的作用力的估计。当估计值与真实值之间存在较大的估计偏差时，往往需 要较大的增益来保证损耗条件s 0, = 0，将1(,)沿系统(1-9)求导，若1(,) 0，则闭环系统稳定，且系统的稳态误差 = 0。 4.3.2.2 非线性补偿非线性补偿与采样数据与采样数据处理处理 前述分析是建立在模型精确已知，且电机驱动可精确控制关节力矩的情况下。 然而，在实际的力反馈手套中，电机驱动无法进行力矩控制，而且多数非线性补 偿项都是无法准确计算的，包括惯量项、哥氏力和向心力项、重力项，以及连杆 端的摩擦力在基关节出的摩擦力矩甚至很难

29、建模，这些都给精确的位置控制带来 巨大的问题。 但是通过实验，注意到力反馈手套跟随操作者手指运动时，基关节的速度并 不是很高，如图 4-4 所示，基关节角速度范围为(60,60)/，根据图 3-5 c） 可知|C| 0，有这样的不等式关系： 2 + 1 (5-16) 根据式(5-16)所示的不等式关系，可以得到 1 ()1 () + ()() 2 ()1 () + ()() 2 对1、2进行这样的界定之后，抵消 1(,), 2(,)中的积分项，则可得 (,) ()() ( )( ) (5-17) 其中 = 2( + ) + + ( + 1+ 1 + 1 ) 显然当W 0时， (,) 0 ()

30、= (), ,0- (5-22) 其中() 是状态向量， 其中,为具有适当维数的常数实矩阵， (t)是初始条件，时滞()满足条件 0 () (5-23) 和 () (5-24) 、是常数，且 0，,分别代表各参数的不确定性 ,- = (),123- (5-25) ()为时变的未知实矩阵，且满足 ()() , (5-26) 对于系统 (5-22)，引入状态反馈控制器 = () (5-27) 可得闭环系统 () = ( + ()1)() + (+ ()2)( () () = 0, ,0- (5-28) 其中 = + , = ， 1= 1+ 2， 1= 3。 针对形如式(5-22)的系统，其闭环系统

31、稳定的时滞依赖条件以及控制器的设计 方法如引理 5-1 所示，通过算法 5-2 可获取系统允许的最大时滞。 引理 5-143 如果存在适当维数的实矩阵 0， 0， 0， 1， 2， 3， 1， 2，以及正数使得不等式(5-29)、(5-30)成立，则系统(5-22)在控制器(5-27) 的作用下， 对所有满足(5-25)的不确定性， 均是渐进稳定的， 而且控制器 = 1。 11 12+ 1 + 2 22 03 0 0 0， 0， 0 0， 0， 0 (5-33) 上述最小化问题是一个 LMI 约束下的非线性最小化问题，也称为锥互补问题 （CCP） ， Ghaoui 给出了一个利用线性 LMI

32、迭代方法来解决这样的非线性最小化问 题49 。根据 Ghaoui 提出的迭代算法，给定时滞上界 h，具体的求解系统稳定的控 制器算法如下： 算法算法 5-1 闭环系统稳定性求解 Step1:选择一组合适的点( , , , , , )，置 = 0； Step2:对于给定的时滞 h，关于矩阵变量(,1,2,3,1,2,)，求解 线性最小化问题： min Tr( + + + + + ) s.t. LMI(5-29)、(5-31)、(5-33) 将所得的解赋值给参数向量，即 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= ； Step3:如果满足设定的准则便结束计算（如式(5-30)成立） ，

33、否则 = + 1，回 到 Step2。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -53- 根据引理 5-1 可以获得遥操作系统稳定的时滞依赖条件，可以根据实际的系 统以及给定的时滞上界来求解反馈控制器，也可以对给定的系统求取系统允许的 最大时滞。 算法算法 5-243 最大化时滞上限 h Step1:给设定初值（充分小） ，使其满足(5-29)、(5-31)、(5-33)，给定以及 最大迭代次数。 Step2:选择一组合适的点( , , , , , , , ,1 ,2 ,1 ,2 ,3 , )满足 (5-29)、(5-31)、(5-33)，置 = 0。 Step3:关于矩阵变量(,1,2,3,1,2,

34、)，求解： min Tr( + + + + + ) s.t. LMI(5-34)、(5-31)、(5-33) 将所得的解赋值给参数向量，即 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= 。 Step4:如果式(5-30)不满足， 且 0,R 0,Q 0,1,2以及正数使得不等式(5-35)成立： = 11 12 1 1 220 20002 2 0 000 10000 0000 000 00 0 0， 0， 0 0， 0， 0 (5-42) 如果上述最小化问题的解是 3n，那么闭环系统(5-34)对所有满足式(5-25)所示 的不确定性均是稳定的，且系统具有给定的H扰动抑制水平。上述最

35、小化问题 的同样可按算法 5-1 进行解决。 针对含状态时滞的时滞系统的H控制器设计算法， 给定(或)最小化（或最 大化） ，类似的也可以给出只含有输入时滞系统的H控制器设计算法如算法 5-3 所示。 算法算法 5-3 给定给定(或或)最小化最小化（或最大化（或最大化） Step1:给(或)设定初值（充分小） （(充分大)） ，并使其满足(5-40)和 (5-42)，给定最大迭代次数。 Step2:选择一组合适的解( , , ,1 ,2 , , , , , )满足(5-40)和 (5-42)，置 = 0。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -57- Step3:关于矩阵变量( , , ,1 ,2

36、 , , , , , )，求解线性最小化问题： min = Tr( + + + + + ) s.t. LMI(5-40)、(5-42) 将所得的解赋值给参数向量，即 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= ， 1= 。 Step4: 如果式(5-39)不成立，且 ，则 1 = + 1，回到 Step3；如果 式(5-39)成立，则适当增大（或减小） ，回到 Step2;如果式(5-39)不成立，且 ，则终止计算。 通过该算法可以看出，在进行时滞依赖鲁棒 H控制器设计的过程中，h 表征 系统的稳定性，指遥操作系统主从端在存在扰动情况下的位置跟踪能力，在存在 主从端作用力时，越小，相应的系统

37、透明性越好，实际上 H控制器设计过程将 系统的稳定性与透明性问题联系在一起，可以在保证稳定的前提下，最大程度的 保证透明性，即极小化，减小保守性。 根据算法 5-3 对于给定的时滞上限 = 0.5，设计 H控制器，按照(5-11)所 示的参数结构关系，选用如下参数= = 100，= = 6即有 A = 16.6667 0 016.6667， B = ,00.1667-， Bd= ,0.16670-， D = ,1 1- ， E1= ,4.16674.1667-， 2= 3= 0.0417， 得到极小化的 = 0.1201。 实际过程中按如下关系建立不确定关系矩阵 1 = |(1,1)|,1 1

38、- 2= 3= |(1,2)| (5-43) 通过计算可以发现，越小，可以获得的值越小，即系统的扰动抑制能力越 强，具体数值实例如表 5-2 所示，这说明了阻抗控制实现其期望动力学参数的误 差越小，遥操作系统的性能也越好。阻抗控制期望阻抗参数与实际阻抗参数偏差 越大，则遥操作系统的性能也越差，可以处理的时滞也较小。 表 5-2 不确定性与系统扰动抑制能力的关系 0.1 0.15 0.2 0.25 min 0.075 0.085 0.101 0.120 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -58- 5.5 双边遥操作双边遥操作时滞依赖控制实验时滞依赖控制实验 实验的硬件平台如图 5-4 所示，包括

39、HIT/DLR 力反馈手套、HIT/DLR 灵巧 手、 基于DSP+FPGA的PCI板卡、 PC及调试界面。 力反馈手套与灵巧手通过PPSeco 高速串行接口连接在 DSP 板卡上，通过 DSP 模拟主从端的传输时延，实验中取主 从端传输时延为1= 2= 200。实验中让从手运动位置至 36deg 时，与障碍物 接触，产生作用力。根据推论 5-1，以及算法 5-3 设计遥操作控制器，主从端力 跟踪和位置跟踪曲线如图 5-5、图 5-6 所示。 图 5-4 双边遥操作实验平台 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -59- 图 5-5 遥操作实验力跟踪曲线 图 5-6 遥操作实验位置跟踪曲线 虽然遥操

40、作系统稳定，但是可以看出，遥操作主从端的力跟踪不是很精确， 这是受阻抗控制器影响。 而在存在作用力的情况下， 位置跟踪的精度也明显下降， 位置跟踪性能与力跟踪性能表征着遥操作系统的透明性。力跟踪性能主要受限与 局部控制器，而位置跟踪性能则主要受遥操作控制器影响。主从端系统模型的不 确定性，也会降低位置跟踪性能。 实验证明了基于时滞依赖控制律的遥操作控制器的有效性，但是该控制方法 性能的提升有待于进一步研究。 010002000300040005000600070008000900010000 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 时 间 （ ms） 接触力（N） 从 手 力 信 号 主

41、 手 力 信 号 010002000300040005000600070008000900010000 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 时 间 （ ms） 位置（DEG） 主 手 位 置 从 手 位 置 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -60- 5.6 本章小结本章小结 通过局部控制器即阻抗控制器获得的主手与从手系统综合为遥操作系统，获 得了遥操作系统的数学模型，而该模型可以用于时滞依赖控制分析。对一般时滞 依赖控制律的分析，可以看出，时滞依赖控制的重点在于减小引入交叉项或者界 定 Lyapunov-Krasovskii 泛函导数带来的保守性，这也正是减小遥操作系统保守

42、性 提高透明性的关键。根据吴敏提出的自由权矩阵法对遥操作系统进行鲁棒镇定分 析与控制器设计，通过数值实例，可以看出阻抗参数对遥操作系统允许时滞上 界的影响，以及主从端模型不确定性对遥操作系统透明性的影响，因而阻抗控制 实现期望动力学特性的能力决定了遥操作系统的性能。通过实验可以看出时滞依 赖控制律在双边遥操作控制中的可行性，但是遥操作系统的性能的确有限，这是 由于阻抗控制器的期望动力学参数的实现不准确，导致系统存在参数误差以及不 确定性。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -61- 结论结论 基于力反馈装置和灵巧手的双边遥操作是近年来机器人领域研究的热点之一， 利用依赖与时滞大小的控制律来设计双边遥操作系统控制器，建立具有高透明性 的双边遥操作系统具有非常重要的现实意义。本课题根据 HIT/D