一种基于扰动观测器的双边遥操作系统控制方法与流程

本发明涉及一种双边遥操作系统的控制方法，属于人机协同的遥操作。

背景技术：

1、在机器人尚不能实现完全自主作业的当下，遇到复杂环境或者综合任务目标时，往往需要人类操作者对机器人进行实时决策与控制，因此人机协同的遥操作技术具有重要意义。常见的双边遥操作系统通过主端控制平台对从端机器人发送指令，指令经过通讯环节作用于从端机器人；同时，从端机器人的反馈信号，比如环境力信息、位置和速度信息等通过通讯环节反馈给主端控制平台，实现具有临场感的操作。

2、稳定性和透明性是评价遥操作系统的重要指标。稳定性是系统的基本需求，即确保整个系统可以正常运行。透明性的好坏取决于从端机械臂能否准确跟踪主端发出的位置信号，以及反馈给操作者的力能否对应真实环境的力。通讯时延会影响操作者的临场感，当时延过大时，还可能导致系统不稳定，从而使得任务无法进行。针对已知固定时延的遥操作问题已经有了大量研究，但实际操作中常见的是时变时延。外部的未知环境力和时变时延是导致遥操作系统不稳定和透明性差的主要原因。

3、专利文献1(公告号为cn106773668b)的中国发明专利公开了一种基于波变量方法的时变时延双边遥操作系统控制方法。波变量方法是一种基于无源性理论，用波变换的方法推导得到的一种无源控制算法。该算法定义了散射算子，并从中推导出了遥操作系统的无源性条件，据此在遥操作系统中加入了矫正模块，使得系统时刻处于无源稳定的状态中。但是，该方法仅关注于遥操作系统的稳定性，遥操作系统的透明性依然受到时延的影响，主端的操作者和控制系统也只能得到延时的从端状态反馈而非当前的真实信息。

4、非专利文献1(bowthorpe m,tavakoli m,becher h,et al.smith predictor-based robot control for ultrasound-guided teleoperated beating-heart surgery[j].ieee journal of biomedical and health informatics,2013,18(1):157-166.)公开了一种基于史密斯预估器的遥操作时延补偿方法，在心脏手术的过程中通过预估器实现对时延的估计，并将估计的结果用于补偿时延后的心脏位置。但是，史密斯预估器的方法仅对已知且固定的时延环境效果较好，不能处理时变时延的情况。

5、此外，现有技术种的线性预测算法只能用于单自由度的遥操作系统，无法应用于多自由度的遥操作系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可以在保证系统稳定性的前提下实现与史密斯预估方法相同的透明性，并同时可以实现对时变时延的估计，并且能够用于多自由度遥操作系统的控制方法。

2、本发明的技术方案如下。

3、本发明第一方面提供了一种基于扰动观测器的双边遥操作系统控制方法，用于具有多自由度机械臂的机器人系统的遥操作系统，包括如下步骤：

4、步骤s1，建立遥操作系统模型，并将系统状态方程描述为有延时的第一控制系统；

5、步骤s2，将输入和输出的时延等效为网络扰动，从而将所述有延时的第一控制系统等效为有网络扰动的第二控制系统；

6、步骤s3，构建网络扰动观测器，并在所述机器人系统的遥操作系统的主端部署所述网络扰动观测器；

7、步骤s4，将网络扰动的估计值反馈回操作者，得到完全透明性的遥操作。

8、优选地，所述步骤s1进一步包括：

9、将所述机器人系统的动力学方程写为

10、

11、在速度较慢时，在主端对从端机器人建立遥操作系统模型简化为：

12、

13、

14、其中，t1,t2分别是系统输入和输出时的时延，m,c,g分别是机器人的质量矩阵、科氏力矩阵和重力矩阵，i是单位矩阵；将上述矩阵写为状态方程形式，令b＝m-1，系统状态变量为输入为u＝τ，输出为从而将系统状态方程描述为有时延的第一控制系统，其状态方程为：

15、

16、y＝ix(t-t2)#(5)。

17、优选地，所述步骤s2进一步包括：

18、对机器人系统解耦，由于质量矩阵m非奇异，存在一个正交阵p，使得ptm-1p＝d，其中d＝diag{λ1,…,λn}，在(4),(5)式左右两端同乘以pt，得到：

19、

20、yt＝ixt(t-t2)#(7)

21、其中，带有上标t的是新空间中的变量：xt＝ptx,ut＝ptu,yt＝pty，因此机器人系统在新空间中解耦为n个siso独立系统：

22、

23、

24、i＝1,…,n

25、其中i下标代表第i个关节的分量；

26、对解耦的机器人系统，在初始状态为零的条件下，上述第一控制系统等效为有网络扰动的第二控制系统：

27、

28、yt(t)＝ixt(t)#(11)

29、其中，t是系统的总时延；

30、将输入和输出的时延等效为网络扰动，分别在拉普拉斯域和时域中定义为：

31、

32、

33、将时延等效为系统扰动后，能够通过网络扰动观测器对网络扰动进行估计。

34、优选地，所述步骤s3进一步包括：

35、将网络扰动近似为阶跃函数，假设其一阶导数为零：

36、

37、将网络扰动作为系统状态量，扩展后，单独写出每个关节i的状态方程如下：

38、

39、

40、引入观测器输出反馈矩阵l2×1，构建全维状态观测器：

41、

42、

43、得到观测器结构：

44、

45、其中，

46、优选地，所述步骤s3进一步包括：

47、使用前向欧拉法对所述观测器结构进行离散化：

48、

49、在遥操作系统主端部署上述网络扰动观测器，观测所述第二系统的网络扰动，即

50、优选地，所述步骤s3进一步包括：

51、在拉普拉斯域中，网络扰动的估计值与实际值具有以下关系：

52、

53、所述网络扰动的估计值是实际值的一阶低通滤波结果，当截止频率gnet→∞时，有

54、优选地，所述步骤s3进一步包括：通过神经网络方法对所述网络扰动进行估计。

55、优选地，所述步骤s3进一步包括：

56、在解耦空间得到的nd与关节空间的网络扰动的关系：

57、

58、本发明第二方面提供了一种时延遥操作系统，用于具有多自由度机械臂的机器人系统，包括主端和从端；其特征在于，所述主端部署了网络扰动状态观测器，并且能够执行根据本发明第一方面中任一项所述的基于扰动观测器的双边遥操作系统控制方法。

59、本发明第三方面提供了一种机器人系统，包括具有多个自由度的机械臂，以及根据本发明第二方面所述的时延遥操作系统。

60、通过以上技术方案，本发明能够取得如下有益的技术效果。

61、首先，本发明的方法不需要时延模型，因此可以实现对时变时延的估计，从而在时变时延的情况下准确估计时延，解决了史密斯预估器不能处理时变时延的问题。

62、其次，本发明的方法考虑了遥操作的透明性要求，能够在保持系统稳定性的前提下实现与史密斯预估法相同的透明性，达到更好的操作效果。

63、此外，本发明的方法能够将线性预测算法应用于多自由度机器人的遥操作系统中，实现对机械臂的时延估计和反馈。