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遥操作机器人系统能将人所在主端的命令和行为传递并作用到远端,实现对远端环境的操作和控制。尤其如今将Internet 网络系统作为遥操作机器人系统信号传输的媒介(即本文的研究对象:网络遥操作机器人系统),系统的低成本、高效率、易维护性、可重构性等特点将更加明显。整个系统由操作者、主机械手(主手)、Internet 通信环节、从机械手(从手)和环境等部分构成。网络遥操作机器人系统在诸如远程教育、服务、医疗、国防等远端平台或机械装备的操作方面和领域都将有着巨大的应用前景。
本文主要工作有以下几个方面:
首先,本文分析了国内外网络遥操作机器人系统的发展现状、意义和发展趋势,介绍了其结构组成及其动力学模型,建立了基于状态方程的系统模型,讨论了由于Internet 传输时延造成系统的稳定性和透明性问题。
其次,本文关于系统鲁棒控制器的设计分为两个部分:从手与环境没有接触(自由运动状态)和从手与环境有力的作用(受限运动状态)。对于前者,主要针对系统应用中的干扰以及时延问题,基于H ∞混合灵敏度鲁棒控制的方法设计了主从手的控制器。针对设计中加权函数选择较困难以及得到的控制器阶数往往较高等问题,提出了实用的加权函数选择方法和一种控制器降阶方法。对于后者,又分为固定时延和网络随机时延两个部分。针对固定时延,本文运用μ综合的方法进行了研究;而针对网络随机时延,本文提出了Gain-Scheduling(增益调度)的设计思想,观察从手对主手的速度跟踪以及主手对从手的力跟踪效果。
最后,本文针对网络遥操作机器人系统设计并研制了一套新颖的单自由度遥操作机器人实验系统,该系统实现了网络环境下从手对主手位置跟踪以及主手对从手力跟踪的功能。首先介绍了系统的总体硬件设计方案,包括力觉和位置信号采集和处理以及力矩电机的驱动,实现了基于PC 的单自由度系统的硬件控制。其次利用Visual C++工具编写了数据采集、网络通信、串口通信等模块程序,最后在局域网环境下运用控制算法进行了实验,观察系统位置跟踪及力跟踪的实际效果。
本文所作的理论分析工作以及仿真实验,验证了基于网络的遥操作机器人系统鲁棒控制方案的可行性,并为后期的实验和下一步的网络遥操作的实现打下了基础。
本文的研究工作由江苏省高校自然科学基金资助项目(03KJB120005)资助。