空间机器人遥操作双边控制技术研究

论文摘要

随着空间探索的深入,空间机器人将发挥越来越重要的作用。遥操作是空间机器人的一种重要控制方式,用遥操作空间机器人代替宇航员进行空间作业不但能够避免宇航员舱外作业的风险,还能提高空间探索的经济性。遥操作有三种方式:预测控制、遥编程控制、双边控制,双边控制由于具有可应用于非结构化、未知从端环境的优点,成为近年来的研究热点。经过多年的发展,时延力反馈双边控制技术已取得了一定的进步,但仍然面临着许多问题。本文在前人研究的基础之上,主要对力反馈双边控制的性能指标及度量方法、基于绝对稳定性理论的双边控制方法、提高双边控制系统操作性能的方法、两自由度时延力反馈双边控制系统的搭建及控制方法、遥操作空间机器人的地面物理仿真实验系统等进行研究。下面分别对这几个方面进行详细介绍。力反馈双边控制系统的基本要求是系统稳定、主端操作者感受到从手与环境的作用力、从手跟踪主手的运动,则系统的性能指标应能度量这三者。在以往的研究中,力反馈双边控制系统的性能指标主要为稳定性和透明性,它们分别度量系统是否稳定以及主端操作者感受从端环境的能力,但不能度量从手跟踪主手运动的能力。基于此,本文提出一种度量系统从手跟踪主手运动能力的性能指标:跟踪性,并分别定义透明性和跟踪性的定量度量函数,实现了对系统透明性和跟踪性的定量度量。基于无源性的双边控制方法得到时延无关稳定性,系统稳定的鲁棒性很强,但由于系统的稳定性和透明性相冲突,系统的透明性较差。为了提高系统的透明性,本文引入系统稳定的绝对稳定性理论。然后证明无源性是绝对稳定性的充分非必要条件,即无源性是比绝对稳定性更保守的稳定条件,推出基于绝对稳定性的双边控制系统具有更好的透明性。基于绝对稳定性理论的双边控制方法的稳定性与时延相关,稳定的鲁棒性虽然较弱,但具有更好的操作透明性。基于以上分析,本文实现了基于绝对稳定性的双边PD控制方法,并对其稳定性、透明性、跟踪性进行了理论分析和实验验证。为了提高双边PD控制的操作性能,结合Anderson的虚拟力概念,提出了从手控制力反馈控制方法,也对其稳定性、透明性、跟踪性进行了理论分析和实验验证。由于缺乏对从端环境的自适应能力,当从端环境改变时双边PD控制方法和从手控制力反馈控制方法的操作性能变差。本文提出了两种在从端环境改变时保证系统始终具有良好操作性能的方法:1,参数在线调节方法。这种方法首先通过参数辨识确定从端环境阻抗,然后根据辨识得到的从端环境阻抗,按照透明性或跟踪性分析得到的参数约束条件在线调节控制参数,使控制参数与从端环境始终相适应,从而保证系统始终具有良好的透明性或跟踪性。2,用力传感器测量从手与环境作用力并直接反馈回主端进行控制的方法。这种方法第一次把力传感器直接应用于力反馈双边控制。由于测量的力信息中包含从端环境阻抗信息,这种方法的操作性能就具有了对从端环境变化的自适应能力,且可消除透明性和跟踪性的冲突。为了对前面的控制方法进行实验研究,本文搭建了一个两自由度的时延力反馈双边控制系统。系统的主手为驱动冗余并联机构,从手为PUMA562工业机械臂。针对驱动冗余并联机构运动学正解和逆解的特点,提出了一种快速计算其雅可比矩阵及对其进行力控制的方法。应用此系统进行了典型的力反馈双边控制实验,在时延6秒的情况下成功地实现了对未知曲面的跟踪操作。当遥操作系统远端的从手为自由漂浮的空间机器人时,空间机器人的底座和本体之间存在运动学和动力学耦合,本体的运动会引起基座的相应运动,使得其运动学和动力学模型以及控制方法同固定基座机器人之间有很大的不同。为了验证自由飘浮空间机器人的模型及控制方法,本文提出了地面固定基座机器人和空间机器人之间的运动学等效原理,依据此原理提出了一种在地面用普通工业机械臂模拟遥操作空间机器人运动的方法。自由飘浮空间机器人的运动学模型采用根据动量守恒原理推导的广义雅可比矩阵方法,地面物理仿真机器人系统和空间机器人系统之间通过运动学等效原理进行等效,在此系统上成功地模拟了遥操作空间机器人捕获目标的作业。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题的提出及意义
• 1.2 研究综述
• 1.2.1 双边控制综述
• 1.2.2 双边控制存在的问题及研究方向
• 1.2.3 空间机器人地面实验系统综述
• 1.3 本文的主要研究内容及章节安排
• 第二章 时延力反馈双边控制系统的理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 时延力反馈双边控制系统的网络模型
• 2.3 时延力反馈双边控制系统的性能研究
• 2.3.1 稳定性研究
• 2.3.2 透明性研究
• 2.3.3 跟踪性研究
• 2.4 时延力反馈双边控制系统的稳定准则
• 2.4.1 无源性定义及判据
• 2.4.2 无源性方法对系统性能的影响
• 2.4.3 绝对稳定性理论及判据
• 2.4.4 无源性与绝对稳定性的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于绝对稳定性的双边控制方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 双边PD 控制方法研究
• 3.2.1 双边PD 控制方法
• 3.2.2 双边PD 控制方法的稳定性研究
• 3.2.3 双边PD 控制方法的透明性研究
• 3.2.4 双边PD 控制方法的跟踪性研究
• 3.2.5 双边PD 控制方法的实验研究
• 3.2.6 双边PD 控制方法的局限性
• 3.3 从手控制力反馈控制方法研究
• 3.3.1 从手控制力反馈控制方法
• 3.3.2 从手控制力反馈控制方法的稳定性研究
• 3.3.3 从手控制力反馈控制方法的透明性研究
• 3.3.4 从手控制力反馈控制方法的跟踪性研究
• 3.3.5 从手控制力反馈控制方法的实验研究
• 3.3.6 从手控制力反馈控制方法的局限性
• 3.4 两种控制方法的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 提高时延力反馈双边控制系统操作性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 应用参数在线调节提高系统操作性能的研究
• 4.2.1 参数辨识原理
• 4.2.2 双边PD 控制方法的参数在线调节
• 4.2.3 从手控制力反馈控制方法的参数在线调节
• 4.3 应用力传感器提高系统操作性能的研究
• 4.3.1 从手与环境作用力反馈控制方法
• 4.3.2 从手与环境作用力反馈控制方法的稳定性研究
• 4.3.3 从手与环境作用力反馈控制方法的透明性研究
• 4.3.4 从手与环境作用力反馈控制方法的跟踪性研究
• 4.3.5 从手与环境作用力反馈控制方法的实验研究
• 4.3.6 力传感器对系统透明性的提高
• 4.4 本章小结
• 第五章 时延力反馈双边控制的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 系统结构
• 5.2.1 系统硬件结构
• 5.2.2 系统软件结构
• 5.3 力反馈并联主手的控制
• 5.3.1 系统结构
• 5.3.2 力优化控制算法
• 5.4 系统从手的控制
• 5.5 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第六章 遥操作空间机器人系统的地面实验系统研究
• 6.1 引言
• 6.2 自由飘浮空间机器人的运动学模型
• 6.2.1 符号定义
• 6.2.2 运动学方程的建立
• 6.2.3 广义雅可比矩阵
• 6.3 自由飘浮空间机器人的动力学模型
• 6.4 遥操作空间机器人的地面物理仿真系统研究
• 6.4.1 运动学等效原理
• 6.4.2 系统硬件结构
• 6.4.3 系统软件结构
• 6.4.4 实验结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果