在遥操作系统中,操作者操纵主机器人进行相应的动作,该动作指令通过通信通道传输到从机器人,从而指挥从机器人代替人在难以接近的或危险的环境中完成相应的任务。遥操作系统最重要的性能要求是透明性,即从机器人可以在其工作的环境中精确地复制主机器人的位置轨迹,而同时主机器人又可以将从机器与环境之间的作用力精确地再现给操作者,使得操作者感觉到好像在直接对环境进行操作。不确定性是降低遥操作系统透明性的重要因素之一,它会导致主从机器人之间的位置和力跟踪误差,甚至引起系统不稳定。本文主要针对遥操作系统的参数不确定性(主要包括动力学参数、运动学参数、线性化参数、非线性化参数)和外部干扰,分别基于遥操作系统的位置误差(Position Error Based, PEB)和四通道(4-Channel, 4-CH)控制结构,以系统的透明性和稳定性为目标,研究了遥操作系统新型的自适应控制方法。本文主要工作包括以下四点:1)针对遥操作系统中动力学参数和运动学参数的不确定性,提出了一种基于PEB的自适应控制方法。建立了主机器人/操作者和从机器人/环境组合模型;设计了一种基于PEB的自适应控制器,并应用Lyapunov理论证明了系统的稳定性和位置跟踪误差收敛性。仿真和分析表明所设计的控制器可以同时处理这两种不确定性,并且具有良好的位置和力跟踪性能。2)针对遥操作系统中线性化参数(Linearized parameters, LP)不确定性和非线性化参数(Nonlinearized parameters, NLP)不确定性,提出了一种基于4-CH的自适应控制方法。建立了具有NLP不确定性的遥操作系统的非线性数学模型;分别对主机器人和从机器人设计自适应控制器,融入4-CH结构,并证明了闭环系统的稳定性、位置误差收敛性和力跟踪误差的有界性。仿真和分析表明所设计的控制器可以同时处理LP和NLP不确定性,并且具有良好的位置和力跟踪性能。3)针对遥操作系统中动力学参数的不确定性,提出了一种基于4-CH结构的自适应逆动力学控制方法。给出了遥操作系统的任务空间非线性动力学模型;设计了主机器人和从机器人的自适应逆动力学控制器,融入4-CH结构,并证明了闭环系统的稳定性、位置和力跟踪误差的收敛性。仿真和分析表明所设计的控制器具有良好的位置和力跟踪性能,不依赖于精确的动力学参数,可以产生线性的、解耦的闭环系统,从而便于对闭环系统的透明性进行分析。4)针对遥操作系统外部干扰和参数的不确定性,提出了一种基于干扰观测器的自适应控制方法。建立了具有外部干扰的遥操作系统的非线性动力学模型;分别对主机器人和从机器人设计非线性干扰观测器用来对外部干扰进行估计和补偿,并在干扰观测器基础之上分别对主机器人和从机器人设计自适应控制器用来处理不确定的动力学参数;再将基于干扰观测器的自适应控制器融入到4-CH中;然后证明了闭环系统的稳定性、位置误差收敛性和力误差的有界性。仿真和分析表明所设计的控制器具有良好的位置和力跟踪性能。
