柔性环境下单主多从遥操作系统的动力学建模与控制

Teleoperation system is aimed to solve the problem of manipulating objects remotely in unapproachable or harmful environment. It has important practical significance to extend the capabilities of the human in outer space construction and hazardous environment rescue. How to guarantee stability of the system, provide the human operator with a sense of telepresence and complete the cooperation between the master and slave robots becomes a key problem in teleoperation. This project, which fully considers the limited communication characteristics, such as high transmission delay, low rate and narrow bandwidth, investigates the bilateral control and force reflection of single-master-multiple-slave teleoperator under flexible environment. The research mainly focuses on the following three aspects: 1) Consider the deformation characteristic, the models of flexible object and constrained master/slave robot are constructed; 2) A bilateral control algorithm, which fuses the network parameters and characteristics of flexible object, is designed to guarantee stability of the single-master-multiple-slave teleoperation system; 3) In order to solve the induced master motion problem, a force reflection algorithm and a position drift compensation strategy are designed, which can improve the tracking accuracy. The expected results of this project can provide basic theoretical and key technical support for the control of single-master-multiple-slave teleoperation system under flexible environment and algorithm design of force reflection.

遥操作系统旨在解决人难以接近或对人有害环境中的复杂远距离操控问题，对于提高我国深空探测及危险环境救援能力具有重要现实意义。如何保证系统稳定，且操作者准确感知任务环境，而从端机器人无误差的跟踪主端机器人，成为遥操作技术中的关键。本项目充分考虑传输网络高时延、低速率、窄带宽等“弱通信”特点，开展柔性环境下单主多从遥操作系统双向控制及力觉反馈的研究，聚焦以下三方面研究工作：1）针对一般柔性操作对象，考虑其形变等特点，拟建立特征模型和包含约束条件的主从端机器人模型；2）结合弱通信网络特点，设计融合网络参数、柔性环境特征信息的双向控制算法，以保证单主多从遥操作系统稳定；3）为了解决直接力反馈带来的主端机器人位置漂移问题，设计力反馈算法及补偿策略，以提高系统工作精度。本项目的预期研究成果可为柔性环境下单主多从遥操作系统的控制和力反馈提供理论研究依据和关键技术支撑。

以通信网络作为传输媒介的遥操作机器人系统可以解决极端环境下的远距离操作问题，为危险环境救援以及深海探测提供理论研究基础和关键技术支持。本项目考虑弱通信网络特点，从双向控制和力反馈两个层面出发，结合遥操作系统执行器饱和及不确定特点，解决了单主多从遥操作机器人整体建模、弱通信下双向控制算法以及力反馈下的主端机器人位置漂移补偿问题，取得如下创新性成果。.1. 系统建模层面。对于主端机器人，结合操作者力模型，利用雅克比矩阵建立任务空间动力学方程。对于从端，考虑轮式移动平台的非完整约束，利用被操作物体作用力与反作用力关系建立从端整体任务模型。.2. 双向控制层面。针对局部信息不可测问题，利用浸入与不变流形思想，构造速度观测器；针对通信链路失效以及信道带宽受限带来的单主多从遥操作机器人间歇传输问题，建立了数据传输策略，并设计编队控制算法，建立了控制器参数、通信拓扑结构以及最大连接区间的关系；针对通信网络多采样和空采样问题，设计了网络化遥操作系统时变采样间隔下的控制策略；针对遥操作系统执行器饱和问题，通过将受限控制器表示成实际反馈和其辅助部分的凸组合形式，提出遥操作系统吸引域估计方法，进一步建立了系统初值、饱和参数、网络参数及控制器增益的关系；针对水下遥操作系统动力学、运动学参数不确定及外部干扰问题，利用鲁棒差分法构造扰动观测器，并讨论了建立时间内系统状态有界性，提出非奇异快速终端滑模控制器，保证跟踪误差有限时间内趋于零。.3. 力反馈层面。针对环境力反馈引起的主端机械臂位置漂移问题，构造辅助系统，以反馈力作为输入，以辅助系统输出作为漂移补偿，与主端机械臂位置叠加，作为操作者控制命令传递给从端机器人。利用该方法可消除直接力反馈带来的位置漂移，且主从端位置误差指数趋于零。.在本项目资助下，共发表论文20篇（IEEE Trans.系列7篇），其中SCI收录15篇，EI收录5篇，出版英文专著1部，申请发明专利4项，其中授权3项，公开1项。