【摘要】：隨著空間技術(shù),海洋技術(shù)和原子能技術(shù)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,迫切需要大量工作在危險和未知環(huán)境下的高級機器人,而全自主機器人在這些環(huán)境中靈活作業(yè)目前仍不現(xiàn)實,因此,能擴展人的能力去操控遠(yuǎn)端設(shè)備的遙操作機器人吸引了大量研究者的目光。遙操作機器人系統(tǒng)中,通信時延是不可避免的,它將影響交互式遙操作機器人系統(tǒng)的工作性能,甚至?xí)斐上到y(tǒng)的不穩(wěn)定。所以,研究如何對通信通道具有時延的遙操作機器人系統(tǒng)進(jìn)行控制器設(shè)計具有理論意義和應(yīng)用價值。本文以穩(wěn)定性和主從機之間的跟蹤性能為主要目標(biāo),基于Lyapunov泛函方法,利用Youla參數(shù)變換、LMI工具及優(yōu)化思想,研究了遙操作機器人系統(tǒng)在通信通道具有時延的情況下的各種控制器的設(shè)計方法。本文的研究工作和創(chuàng)新成果如下：1)針對通信時延為固定時延的線性遙操作機器人系統(tǒng),利用分散控制器的二次不變性,提出了一類遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定控制框架,保證了系統(tǒng)在通信時延從無到有時的穩(wěn)定性。框架模擬分離出外部輸入力所產(chǎn)生的輸出信號,并僅將其作為控制器的參考信號,該控制框架無需對操作力和環(huán)境進(jìn)行任何假設(shè);2)針對通信時延是時變時延且操作者和環(huán)境為非無源的情況下的遙操作機器人系統(tǒng),研究了一種保性能控制器設(shè)計方案,并推導(dǎo)出閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的時滯相關(guān)穩(wěn)定性判據(jù)及優(yōu)化控制算法,保證了主從機之間的位置跟蹤性能,速度跟蹤性能和作用力跟蹤性能；3)針對固定通信時延的非線性遙操作機器人系統(tǒng)設(shè)計了一種加速度反饋控制方案,并給出了閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入狀態(tài)穩(wěn)定判據(jù)。該方案在主機器人端使用從端反饋的加速度信號,從機器人端利用位置誤差和非線性阻尼的疊加信號,避免了接觸不穩(wěn)定問題,撤銷了對從端外部環(huán)境和主端操作手的無源性的假設(shè),與其他方法相比,此方法加快了系統(tǒng)同步的速度,提高了跟蹤性能；4)針對時變通信時延的非線性遙操作機器人系統(tǒng)設(shè)計了一種加速度反饋控制方案,并給出了閉環(huán)遙操作機器人系統(tǒng)穩(wěn)定的小增益條件。該方案在主機器人端使用從端反饋的加速度信號,從機器人端利用位置誤差和線性阻尼的疊加信號,保證了系統(tǒng)在前向和反向通信時延時變且具有上下界的情況下的穩(wěn)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.
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：2208458