一種基於自適應雙層滑模的遙作業系統快速力估計方法與流程
2023-09-18 20:13:20 1
本發明涉及遙操作機器人外力觀測技術領域，尤其是一種基於自適應雙層滑模的遙作業系統快速力估計方法。
背景技術：
遙作業系統由一名操作者操作一臺本地機器人通過網絡控制遠程機器人完成指定工作任務。遙操作技術已經被廣泛應用於空間技術，深海探索，遠程醫療和極限環境中。在遙作業系統應用中如果遠程機器人能將外界環境的觸覺信息反饋到主機器人端，操作者的臨場感將得到極大的改善。臨場感技術是人機互動遙操作的核心。具有臨場感的遙操作機器人系統是主從是遙控機器人的一種發展，側重於遠地環境在操作者周圍的再現，這需要力傳感器來實現。一方面，在實際應用中，力傳感器存在慣性力的影響嚴重、動態頻率低、維間幹擾較大以及體積大等問題，而且在某些惡劣環境下不允許傳感器的使用。另一方面，考慮節省傳感器本身昂貴成本費用的問題。因此迫切需要提出新的快速、準確的力估計方法，從而代替遙操作機器人系統對力傳感器的需求。
針對系統的不確定和外界幹擾，滑模控制提供了很好的控制效果。利用自適應雙層超螺旋有限時間滑模的方法設計全維狀態觀測器能很好的觀測出系統的狀態和外界幹擾。自適應滑模參數的方法能隨著外界幹擾的大小而調整滑模參數。但是基於傳統的滑模的狀態觀測器會因為未知的外界幹擾而設置較大的滑模參數，其觀測信號的準確度會受到很大影響。而且現有的大部分觀測器設計方案依賴於遙作業系統機器人的速度信號即假設系統速度已知，增加了設備的成本。在實際中，通常情況下往往位置信號容易測得，而速度和外力的信號不易測得。
技術實現要素：
本發明目的在於提供一種能夠獲得準確速度和外力信號的基於自適應雙層滑模的遙作業系統快速力估計方法。
為實現上述目的，採用了以下技術方案：本發明所述方法步驟如下：
s1、選取一個由兩個3自由度機器人構成的遙操作機器人系統，在無負載情況下測量機器人連杆的質量和長度信息；根據能量平衡方程建立遙作業系統的任務空間下二階拉格朗日系統模型；
s2、利用機器人本身的位置編碼器測量機器人的位置信號，根據位置信息設計自適應雙層超螺旋滑模全維觀測器，並由觀測到的信息得出估計的力的求法；
s3、根據不同的工作環境下不同的外力大小及外力改變情況，通過選取足夠大的觀測器參數以保證觀測器系統穩定。
進一步的，所述步驟s1中，無負載情況下機器人的連杆的質量和長度信息可在機器人的出廠說明書中得到；根據杆的長度和質量信息分別計算出的主機器人和從機器人的慣性矩陣、哥氏力、離心力矩陣、雅可比矩陣和重力項。
進一步的，所述步驟s1中，建立遙作業系統的任務空間下二階拉格朗日模型由以下條件得到：
根據普遍使用的機器人系統的拉格朗日動力學模型給出主從機器人系統的基於關節空間的動力學模型：
其中，m表示主機器人，s表示從機器人；qm(t),qs(t)∈rn為關節位移矩陣；為關節速度矩陣；mm(qm),ms(qs)∈rn×n為正定的慣性矩陣；為哥氏力和離心力矩陣；gm(qm),gs(qs)∈rn為重力扭矩；fh∈rn和fe∈rn分別為人類操作者施加的力矩和環境施加的力矩；fm∈rn和fs∈rn為提供的控制扭矩；
把主機器人關節的位移和速度寫成下面的形式
可以得到
相對應，定義從機器人的位移和速度如下
可以得到
進一步的，所述步驟s2中，利用機器人自帶的編碼器得到關節位置信息，設計全維狀態觀測器，觀測器形式如下
其中，和中的第i個元素有如下形式
其中，分別為向量的第i個元素；定義的形式如下
增益αm(t),βm(t)的第i個元素有如下形式
其中，為正常數，且為向量αm0,βm0的第i個元素；
基於公式(3)，(6)，得到誤差系統如下
其中，
由於誤差系統(10)是有限時間穩定的；所以由李普希茲條件可得
fm(t)＝-mm-1(qm1)fh(11)
由於誤差項有限時間趨近於零點，所以可得為向量fm(t)的第i個元素；
雙層快速調節的方法建立在「等效控制」方法基礎上；由於高頻切換的信號很難被利用，等效輸出作為一種濾波的手段來消除高頻切換的部分；採用如下濾波形式
其中，向量其中為向量的等效輸出，變量為向量的第i個元素，變量為的導數，變量為向量的第i個元素，為一個極小的正常數且為向量τm的第i個元素；
雙層快速調節的方法：
首先定義一個變量δm(t)∈rn，δ(t)的第i個元素的形式如下
其中，為向量am,βm0的第i個元素，為常數且滿足為一個極小的正常數且為向量εm的第i個元素；向量am,εm代表了安全範圍並且增加了穩定的保守性；定義變量如下
其中，變量為向量lm(t)∈rn的第i個元素；為正常數且為向量lm0的第i個元素；的導數滿足下面式子
其中，變量為向量ρm(t)的第i個元素；變量定義如下
其中，為正常數且為向量rm0的第i個元素；變量為向量rm(t)∈rn的第i個元素；變量的導數滿足
其中，正常數為向量γm的第i個元素；
式(13)—(17)即為雙層快速調節的方法；首先，第一層保證主機器人觀測器調整參數即這是差分系統(10)收斂必須滿足的條件；其次，第二層使得變量改變的速率決定於時變參數的變化，提高了調整速率；
相應的，從狀態觀測器給出如下
其中，
其中的從機器人的變量含義與上面主機器人變量含義相對應；
基於公式(5)，(19)，得到誤差系統如下
其中，
從端機器人的等效輸出形式為
對應的，從端機器人觀測器雙層快速調節方法給出如下
其中從端觀測器雙層快速調節方法的變量的定義與上述主端雙層快速調節方法的變量含義相對應。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
1、不但能實現對系統速度以及外力的有限時間快速、精確估計，還能有效解決抖動問題。
2、滑模思想的引入使得觀測器對外界幹擾不敏感，增強了閉環系統的魯棒性能。
3、利用自適應的思想，能更準確的完成對外力的估計；而雙層的思想，則能更快的完成對外力的估計。通過選取合適的李雅普諾夫函數對觀測器的穩定性進行了證明。
附圖說明
圖1為遙操作機器人系統的結構框圖。
圖2為本發明控制系統結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
如圖1所示，遙作業系統主要由操作者、主機器人、網絡傳輸通道、從機器人和外界環境組成。操作者在本地對主機器人進行操作，其相關運動信息通過網絡傳輸至從機器人，從機器人按照主機器人的運動信息進行同步運動，並將與環境相接觸得到的信息反饋回主機器人。使用觀測器對主、從機器人進行觀測，分別得到操作者和外界環境對主、從機器人施加的外力信息。
如圖2所示，本發明方法包括以下步驟：
s1.選取一個由兩個3自由度機器人構成的遙操作機器人系統，在無負載情況下測量機器人連杆的質量和長度信息。進一步根據能量平衡方程建立遙作業系統的任務空間下二階拉格朗日系統模型。
s2.利用機器人本身的位置編碼器測量機器人的位置信號，根據位置信息設計自適應雙層超螺旋滑模全維觀測器，並由觀測到的信息得出估計的力的求法；
s3.根據不同的工作環境下不同的外力大小及外力改變情況，確定具體的觀測器參數。
對於機械臂系統，所述步驟s1中，無負載情況下機器人連杆的質量和長度信息可在機器人的出廠說明書中得到。根據連杆的長度和質量信息分別計算出的主機器人和從機器人的慣性矩陣、哥氏力、離心力矩陣、雅可比矩陣和重力項。
建立遙作業系統的任務空間下二階拉格朗日系統模型由以下條件得到。根據普遍使用的機器人系統的拉格朗日動力學模型給出主從機器人系統的基於關節空間的動力學模型
其中，m表示主機器人，s表示從機器人；qm(t),qs(t)∈rn為關節位移矩陣；為關節速度矩陣；mm(qm),ms(qs)∈rn×n為正定的慣性矩陣；為哥氏力和離心力矩陣；gm(qm),gs(qs)∈rn為重力扭矩；fh∈rn和fe∈rn分別為人類操作者施加的力矩和環境施加的力矩；fm∈rn和fs∈rn為提供的控制扭矩。
把主機器人關節的位移和速度寫成下面的形式
可以得到
相對應，定義從機器人的位移和速度如下
可以得到
優選地，所述步驟s2中，利用機器人自帶的編碼器得到關節位置信息，設計全維狀態觀測器，觀測器形式如下
其中，和中的第i個元素有如下形式
其中，分別為向量的第i個元素。定義的形式如下
增益αm(t),βm(t)的第i個元素有如下形式
其中，為正常數，且為向量αm0,βm0的第i個元素。lm(t)的形式在後面的內容中給出。
基於公式(3)，(6)，得到誤差系統如下
其中，
由於誤差系統(10)是有限時間穩定的。所以由李普希茲條件可得
fm(t)＝-mm-1(qm1)fh(11)由於誤差項有限時間趨近於零點，所以可得為向量fm(t)的第i個元素。
雙層快速調節的方法建立在「等效控制」方法基礎上。由於高頻切換的信號很難被利用，等效輸出作為一種濾波的手段來消除高頻切換的部分。我們採用如下濾波形式
其中，向量為向量的等效輸出，變量為向量的第i個元素，變量為的導數，變量為向量的第i個元素，為一個極小的正常數且為向量τm的第i個元素。
下面給出雙層快速調節的方法。首先定義一個變量δm(t)∈rn，δ(t)的第i個元素的形式如下
其中，為向量am,βm0的第i個元素，為常數且滿足為一個極小的正常數且為向量εm的第i個元素。向量am,εm代表了安全範圍並且增加了穩定的保守性。定義變量如下
其中，變量為向量lm(t)∈rn的第i個元素；為正常數且為向量lm0的第i個元素。的導數滿足下面式子
其中，變量為向量ρm(t)的第i個元素。變量定義如下
其中，為正常數且為向量rm0的第i個元素；變量為向量rm(t)∈rn的第i個元素。變量的導數滿足
其中，正常數為向量γm的第i個元素。
(13)—(17)即為雙層快速調節的方法。首先，第一層保證主機器人觀測器調整參數即這是差分系統(10)收斂必須滿足的條件。其次，第二層使得變量改變的速率決定於時變參數的變化，提高了調整速率。
相應的，從狀態觀測器給出如下
其中，
其中的從機器人的變量含義與上面主機器人變量含義相對應。
基於公式(5)，(19)，得到誤差系統如下
其中，
從端機器人的等效輸出形式為
對應的，從端機器人觀測器雙層快速調節方法給出如下
其中從端觀測器雙層快速調節方法的變量的定義與上文中主端雙層快速調節方法的變量含義相對應。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的範圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案做出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護範圍內。