带力觉反馈的主从式遥操作系统研究

• 作 者: 李杨
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2020年02期
• 关键词: 遥操作系统 临场感 力反馈 无源稳定性 绝对稳定性 预测控制

使用遥操作机器人代替人类在危险人类难以到达的环境进行探索和工作已成为机器人的重要应用之一。为帮助操作者顺利完成对机器人的运动规划和决策,需要在遥操作系统中引入临场感技术来帮助操作者感知到尽可能多的机器人外界环境信息。力觉反馈技术是临场感技术的核心内容之一,也是本课题研究的主要内容。在实际遥操作系统中,由于从端与主端之间往往存在巨大的物理距离,主从端通讯存在较大延迟,对力反馈遥操作系统的操作性能与稳定性造成影响。本文对大时延下力觉反馈遥操作系统的控制器设计问题进行了研究,首先建立一种一自由度的主从式力反馈遥操作系统模型,随后指出其操作性能主要包括透明性和跟踪性,并分别给出了评价指标。基于绝对稳定性理论和无源稳定性理论分别对力反馈遥操作系统进行了理论分析和控制器设计,并在不同时延条件下进行了仿真实验和比较。为使操作者实时感受到从端力接触情况,引入模型预测的方法对反馈力进行了预测。采用基于神经网络的离线辨识方法和基于最小二乘法的在线辨识方法建立了预测模型,并通过理论分析和仿真实验证明了其对系统性能提升的作用。为验证研究结果在实际系统中的效果,采用两个直线电机搭建了一个一自由度带力觉反馈的主从式遥操作系统实验平台。实验平台使用EtherCAT开放架构,通过工控机上的TwinCAT3软件实现了对系统的实时控制。设计了碰撞保护功能并测试了电机阶跃响应性能。设计了无源控制器并进行了实验,实验结果表明了无源控制器可以保证系统在任意时延下的稳定性,且力反馈和速度跟踪误差都在设计要求范围内。采用神经网络对力反馈进行了离线辨识和预测,离线模型可以实现良好的预测效果,最大误差0.76N,均方根误差0.17N。尝试使用基于最小二乘法的在线辨识方法建立系统模型,但由于直线电机和环境静摩擦较大,线性模型无法处理非线性摩擦环节,导致模型预测情况不理想,有待进一步改进。