基于双向力反馈数据手套的多指灵巧手双边遥操作时滞依赖控制的研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51175107
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
谢宗武
依托单位：
哈尔滨工业大学
学科分类：
E0507.机械仿生学与生物制造
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
刘伊威；蒋再男；李操；张奇；
关键词：
主从遥操作时滞依赖控制力反馈数据手套多指灵巧手

项目摘要

主从遥操作是当前机器人领域的研究热点，对提高机器人的作业水平具有重要的意义。数据手套的使用是机器人灵巧手主从遥操作系统提高透明性的有效手段。本项目针对现有力反馈数据手套佩戴不便和力觉临场感不强的问题，研制一种与人手指非接触式、围绕人手指作外包络运动、实现弯曲和伸展双向力反馈的数据手套。基于该数据手套构建机器人灵巧手主从遥操作实验平台，并研究依赖于时延参数的主从遥操作控制方法。基于自组织模糊神经网络，在线线性化主、从机器人动力学模型，搭建主从遥操作系统的控制架构。定义性能指标，设计时滞依赖函数，建立满足系统性能指标的线性矩阵不等式条件,通过求解线性矩阵不等式得到主从遥操作系统的时滞依赖控制规律并研究不同延迟时间对控制增益的影响机制。该控制方法可降低系统设计的保守性，增强遥操作系统的透明性，对通讯通道具有时变延时特性的遥操作系统具有很大的实际意义。

结项摘要

为克服传统外骨骼力反馈数据手套驱动与外骨骼机构分离(导致结构臃肿)；使用时必须和操作者手指指节固连(影响力觉临场感)；不能直接测量指尖交互力(影响力觉临场感)的缺点。本文研制了一模块化、多传感器、高集成度的新型力反馈数据手套，该力反馈数据手套基于平行四边形关节和钢丝绳耦合传动机构，能够围绕人手作外骨骼包络运动，并能在弯曲和伸展方向上实现指尖力反馈。 .通过分析、比较各种主从控制体系优缺点，以力/位置双通道主从控制结构作为实现主从控制及时延主从控制的基本框架。对主端的力反馈数据手套设计了两种控制模式，指尖位置控制和力跟踪控制，控制模式的切换主要取决于从端灵巧手所处的状态，当灵巧手处于自由空间时，主端采用位置控制，当处于约束空间时，主手采用力跟踪控制。指尖位置控制保证操作者自由空间运动的无约束感，力跟踪控制确保约束空间的真实力感。克服了传统力反馈数据手套不能明显区分接触和非接触状态的缺点。.为保证从端灵巧手与环境交互的稳定性，在分析机器人与环境交互的稳定性基础上，设计了基于力的关节空间的自适应阻抗控制器作为从端的控制策略。并针对主从端机器人系统的强非线性、摩擦以及系统的不确定性，设计了基于名义动力学模型的速度观测器和扰动观测器(DOB)，前者用以改善速度信号的品质，后者做为内环补偿器用于估计系统的干扰并对其进行补偿。.针对遥操作系统中时延对系统稳定性和透明性的影响，基于史密斯预测控制(Smith predictor)方法设计了力/位置主从遥操作系统，通过分析该系统的透明性和稳定性，可以得出基于史密斯预测控制的遥操作方法与无源性方法相比，能够获得更好的透明性和稳定性。由于史密斯估计器的性能依赖于模型准确性，针对该问题本文提出了在从端采用扰动观测器的方法使得主端和从端的模型相匹配，克服了史密斯预测控制对线性模型的依赖性。.最后，以研制的力反馈数据手套作为主手， HIT/DLR灵巧手作为从手，进行了主从控制实验和时延主从控制实验，实验结果验证了所研究并采用的控制算法的有效性，同时也验证了该力反馈数据手套能够增强主从操作的临场感。