双向液压伺服遥操作机器人的力觉临场感技术研究

论文摘要

力觉临场感遥操作机器人被广泛应用于高温、高压、强辐射、窒息等极限作业环境,而进行力觉临场感遥操作系统的控制理论和控制策略研究,对于提高力觉临场感遥操作机器人的性能具有十分重要的意义。本文结合国家自然科学基金资助项目(编号:50475011)及教育部优秀青年教师基金项目,主要进行了主从遥操作机器人系统控制结构、双向伺服控制策略及控制算法研究,以及主从位置跟随特性和力觉临场感试验。基于主从遥操作机器人系统的二端口网络模型,通过分析位置和力信息二者的相互依存和相互影响的内在关系,从控制结构和原理上,探讨了目前存在的力反馈冲击或位置跟随性差等不足的内在原因,为进行新型双向伺服控制策略的研究提供了理论参考。针对目前双向伺服控制策略中存在的主、从手间位置跟随性差,以及抓取刚性物体时主手所受反馈力冲击过大等问题,提出了一种H∞控制的状态观测器补偿位置型双向伺服控制算法,对反馈力的瞬间冲击和系统内的动力学干扰对系统稳定性的影响以及主从位置跟随特性进行了研究。根据液控马达力控制系统数学模型和双向伺服控制结构,建立了主从遥操作双向伺服控制系统的仿真动力学模型。针对闭环系统稳定性易受控制对象动力学特性变化影响的问题,通过采用H∞控制的状态观测器对液控马达力控制系统进行有效补偿,以及对三种不同双向伺服控制系统进行仿真试验比较,研究了H∞控制的状态观测器补偿位置型双向伺服控制策略的可行性和适用性。建立了一个基于液压伺服控制的具有力觉临场感的异构型双向伺服遥操作工程机器人系统。基于实验室局域网,在空载、抓轮胎、抓石块等三种不同工况下,分别采用力反馈伺服型、并列型及H∞控制的状态观测器补偿位置型三种双向控制策略进行试验比较,对新型位置反馈型双向伺服控制策略的力觉临场感及位置跟随特性进行了试验研究。试验结果表明,本文所提出的状态观测器补偿位置反馈型双向伺服控制策略能有效地改善力觉临场感和主从位置跟随特性,并能很好地解决反馈力瞬间冲击问题。本文所做的研究工作为力觉临场感遥操作机器人走向实用化提供了宝贵经验和关键技术。

论文目录

• 提要
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 力觉临场感遥操作机器人研究现状
• 1.3 力反馈双向控制技术研究概况
• 1.3.1 力反馈双向控制技术研究热点
• 1.3.2 力反馈双向控制技术的应用领域
• 1.4 力反馈操纵杆研究概况
• 1.4.1 力反馈操纵杆的主要特性
• 1.4.2 力反馈操纵杆的研究现状
• 1.4.3 力反馈操纵杆研究的方向与趋势
• 1.5 存在的主要问题
• 1.6 本文研究的主要内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 主从遥操作机器人系统总体框架
• 2.1 主从遥操作机器人系统的工作原理
• 2.2 主从遥操作机器人系统总体构成
• 2.2.1 2DOF力反馈操纵杆
• 2.2.2 4DOF液压伺服串联机械手
• 2.2.3 电液伺服控制子系统
• 2.2.4 位置伺服控制子系统
• 2.2.5 力反馈控制子系统
• 2.2.6 数据通信子系统
• 2.3 本章小结
• 第3章 主从遥操作机器人双向伺服控制策略研究
• 3.1 常用主从遥操作双向控制系统操作性能评价方法
• 3.2 常用双向伺服控制系统性能分析
• 3.3 常用双向伺服控制理论与结构分析
• 3.4 新型位置反馈型双向伺服控制策略
• 3.4.1 位置反馈型双向控制理论
• 3.4.2 位置反馈型双向控制策略结构分析
• 3.5 时延环节下的遥操作双向伺服控制策略分析
• 3.5.1 直接控制
• 3.5.2 监督控制
• 3.5.3 预测显示控制
• 3.5.4 基于事件控制
• 3.5.5 现代控制方法
• ∞控制的状态观测器补偿位置反馈型控制策略'>3.6 H_∞控制的状态观测器补偿位置反馈型控制策略
• 3.7 本章小结
• 第4章 液控马达系统特性分析及控制算法仿真
• 4.1 液控马达力控制系统数学模型及特性分析
• 4.1.1 阀控摆动液压马达动力机构传递函数
• 4.1.2 电液操纵杆力伺服控制系统
• 4.1.3 系统开环传递函数计算
• 4.1.4 阀控马达力伺服系统特性分析
• ∞控制的状态观测器分析与设计'>4.2 H_∞控制的状态观测器分析与设计
• 4.2.1 状态空间描述
• ∞控制的状态反馈理论'>4.2.2 H_∞控制的状态反馈理论
• ∞控制的观测器设计'>4.2.3 H_∞控制的观测器设计
• 4.2.4 稳定性分析
• 4.3 双向伺服控制算法仿真
• 4.3.1 双向伺服控制算法
• 4.3.2 仿真结果对比分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 主从遥操作双向伺服控制试验研究
• 5.1 试验目的和试验内容
• 5.2 主从遥操作机器人试验系统构成
• 5.2.1 主从遥操作机器人试验系统的硬件
• 5.2.2 主从遥操纵机器人试验系统的软件
• 5.3 2DOF同构型主从遥操作系统力觉临场感试验
• 5.4 4DOF异构型主从遥操作系统力觉临场感试验
• 5.4.1 网络时延测试试验
• 5.4.2 4DOF液压伺服串联机械手位置跟随试验
• 5.4.3 4DOF主从遥操作机器人力觉临场感试验
• 5.4.4 网络时延分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 继续研究的方向
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文及科研成果
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT