多边触觉遥操作系统绝对稳定性研究

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多边遥操作系统被广泛应用于协作遥操作和触觉辅助训练等场所。对于许多任务,通过两个手或多个操作者合作操作,比一个操作者单手独立操作能获得更好的性能。通过采用多用户接口(主机器人)和一个或多个远程机器人(从机器人)的多边遥操作系统,可以让多个操作者之间触觉信息共享,在远程环境中协作执行任务。尽管多边触觉遥操作系统有许多优点,但是其研究仍处于起步阶段。事实上,多边触觉遥操作系统中,已进行深入研究的仅有基于单个主机器人遥操作单个从机器人的双边触觉遥操作系统。一个双边触觉遥操作系统由一个操作者,一个遥操作器和环境组成。遥操作器包括主机器人、从机器人、控制器和主从机器人之间的通信通道。由于遥操作器的终端,即操作者和环境的模型是未知的和/或时变的,一般很难获取他们的准确模型。因此,对于双边遥操作系统,为确保耦合的遥操作系统稳定性,通常采用绝对稳定性或无源性定理来分析,因为他们仅需遥操作器的终端是无源的。类似于双边遥操作系统,多边触觉遥操作系统的稳定性非常重要。研究多边触觉遥操作系统的稳定性,必须考虑作为闭环反馈环节的操作者和环境的影响。然而,操作者和环境的模型不确定性给闭环系统的稳定性分析增加了很大的难度。本论文研究了多边触觉遥操作系统的绝对稳定性,包括以下四个部分工作:(1)扩展Llewellyn’s绝对稳定性定理,提出了封闭形式三端网络绝对稳定性定理。通常,双边遥操作系统的绝对稳定性采用两端网络的绝对稳定性定理(Llewellyn’s绝对稳定性定理)来分析。将该绝对稳定性定理推广应用于三端网络,需要已知网络第三个端口的终端数学模型,然后将三端网络降为等价两端网络后分析绝对稳定性,从而使得该方法具有很强的约束性。因此,需要探索一种三端网络绝对稳定性分析方法,无需知道终端的数学模型,而只要其满足无源性即可。本论文针对三边触觉遥操作系统绝对稳定性,将其模型化为一个三端网络系统来分析,通过扩展Llewellyn’s绝对稳定性定理,提出了一类三端网络的绝对稳定性定理。详细内容见第二章。(2)对于遥操作系统稳定性分析方法,除绝对稳定性外,无源性也是一种应用广泛的分析方法。通过对比分析双边遥操作系统绝对稳定性定理和无源性定理,发现绝对稳定性定理更加开放。对于三边遥操作系统,本文首先扩展Raisbeck’s无源性定理,提出了任意无源终端条件下三端网络无源性定理,并对比研究了三端网络的无源性定理和绝对稳定性定理。通过定理对比,实例分析,仿真和实验验证,证明了三边遥操作系统无源性定理是一个更加保守的定理。详细内容见第三章。(3)针对传统的单自由度绝对稳定性分析方法无法用于分析多自由度系统绝对稳定性的问题,研究了适用于m自由度n边触觉遥操作系统的绝对稳定性定理。论文首先通过两个例子,提出进行m自由度n边触觉遥操作系统稳定性分析方法研究的必要性。随后,类似于第(1)点描述的绝对稳定性分析方法,将m自由度n边触觉遥操作系统建模为一个nm?端网络,且每个端口连接一个m输入m输出的终端,进行绝对稳定性分析方法研究,提出了适用于所有m?1和n?2的m自由度n边触觉遥操作系统的绝对稳定性定理。详细内容见第四章。(4)对于复杂灵巧的多自由度遥操作任务,一般采用两个具有相同自由度的触觉机器人搭建的遥操作系统执行任务,这对操作者要求很高,而且任务精度无法保障,因此需要探索一种新结构的遥操作系统并研究其稳定性。本文首先设计了多操作者操纵多个主机器人分别遥操作控制多自由度单从机器人的不同自由度的遥操作系统,随后,对该多主机器人/单从机器人w自由度协作触觉遥操作系统,将其建模为一个两端网络,且每个端口连接到一个w输入w输出的终端,进而研究绝对稳定性。详细内容见第五章。
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