基于波变量方法的移动操作臂网络遥操作控制研究

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操作者通过遥操作技术与远端环境进行交互,既可以将人类的智能扩展到远端,又可以在提高工作效率的同时保证操作者的安全性。采用网络通讯作为遥操作系统的通讯媒介,拓宽了遥操作系统的应用领域和应用对象。移动操作臂具有工作空间大、自由度冗余、对复杂任务适应能力强等特点,更适用于空间探测、医疗、核工业、军事训练等领域。在遥操作系统中增加动态力反馈能使操作者感受与环境之间的交互,可以提高操作者完成复杂任务的能力。然而,网络通讯时延会给力反馈遥操作系统带来不稳定并造成系统透明性下降。基于无源性理论的波变量方法可以在任意定时延条件下保证系统的无源稳定性,论文基于波变量方法针对变时延条件下的移动操作臂力反馈遥操作系统的稳定性、透明性展开研究。分析了九自由度移动操作臂运动学。根据操作臂臂型和当前关节角状态求解操作臂正逆运动学;针对移动操作臂的结构特点,提出一种关节等效和关节优化的冗余逆运动学算法。对操作臂静力学进行分析,推导了力雅可比矩阵。提出一种基于操作臂奇异性和主手操作空间的冗余控制策略,实现了Phantom Desktop六自由度力反馈主手对移动操作臂的控制。实验证明通过该控制策略能够实现主手对移动操作臂的良好控制。分析变时延条件下传统波变量方法的无源性,提出基于扰动观察器的移动操作臂遥操作系统波变量三通道控制结构,解决了变时延条件下波变量方法不能满足无源性稳定条件的问题。针对变时延条件提出将变时延控制算法与波预测方法相结合,利用变时延控制算法的无源稳定性和波预测方法良好的透明性来提高系统综合性能;在波变量方法中引入稳定性、透明性评价方法,对不同控制结构进行了分析对比,结果表明所提出控制算法具有较好的透明性;仿真实验验证了基于变时延控制的从端位置校正波预测方法的有效性。最后,建立移动操作臂系统实验平台。进行了定时延条件下的冗余控制策略算法验证实验,实验结果表明控制略的有效性;操作臂由自由空间到刚性环境的接触实验结果表明时延条件下使用三通道控制结构的有效性。
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