[发明专利]一种有限时间收敛的遥操作双边控制器的控制方法

说明书

本发明提供一种有限时间收敛的遥操作双边控制器的控制方法。所述控制方法包括如下步骤：S01、建立不考虑重力项的动力学模型；S02、根据S01中的动力学模型建立主从双边控制系统的误差模型；S03、计算S02中的误差模型的不确定部分的界；S04、定义S02中的误差模型的外界干扰项关于系统状态量的界；S05、根据S02确定滑模变量；S06、根据S03至S05，针对S02的误差模型，确定双边控制律；S07、S06中的确定与控制器参数、系统初始状态相关的收敛时间并根据收敛时间调整控制律。本发明能保证在给定的有限时间内，主从双边机器人的跟踪误差快速收敛到零，在保证系统在时延下稳定性的同时，提高了系统双边同步跟踪的快速性。

技术领域

本发明涉及控制技术领域，特别涉及一种有限时间收敛的遥操作双边控制器的控制方法。

背景技术

目前，机器人的控制模式主要分为两大类：自主控制方式和遥操作控制方式。自主控制方式下，机器人通过对外界环境进行感知和判断，根据接收到的任务指令自主进行决策、规划和控制。遥操作控制方式则借助于临场感交互手段(视觉、力/触觉、听觉、味觉等)将操作员纳入到机器人的控制回路中，由操作员根据自己的判断操纵机器人完成一些复杂的任务。

受限于目前有限的人工智能发展水平，面对大多数复杂任务时机器人都无法完全自主地完成作业，另外，很多任务必须依靠专业技术人员的知识，例如远程手术，因此机器人的遥操作控制还是目前主流的控制方式，而且在将来也依旧是必不可少的途径。

双边控制是遥操作的一种主要控制模式，在这种控制模式中，操作员利用人机交互设备发出指令，人机交互设备就是主端机器人，亦被称为手控器，指令经过信号传输通道达到从端，从端机器人根据接收到的指令进行控制；另一方面，从端机器人的位置信息与受到的力信息通过信号传输通道回传给主端，主端的手控器通过控制，将从端机器人受到的力反馈至操作员。整个控制回路中，存在着力与位置两个信息的交互，且需要保证主从端双边的同步性，因此也称为双边控制。一个典型的双边控制系统包含以下五个环节：操作员、主端机器人(一般称为手控器、主手)、主从端通信链路(通信环节)、从端机器人(从手)和环境。

由于遥操作机器人的特殊性，主端操作员与从端机器人之间往往相距甚远，其信号传输通道对控制系统而言总是存在不可忽视的时延，所以双边控制系统是一个回路存在时延的系统。众所周知，时延的存在会给控制系统带来很大的挑战，因此在现有的双边控制研究中，绝大部分都是针对如何消除时延的影响展开双边控制器设计。

文献《Bilateral teleoperation:An historical survey》对机器人的双边控制方法进行了归纳与总结，发现大部分的研究均为针对如何保证双边控制系统在时延下的稳定性展开的，其中最为主流的是基于无源性的方法，其核心思想在于通过保证时延传输环节的无源性从而确保双边系统对时延的稳定性。从另一方面讲，这些控制方法只是保证了系统的“可用性”，因为稳定性是控制系统的基本需求，但没有顾及系统的其他性能；甚至很多方法由于采用了较为保守的控制律控制方法，极大牺牲了系统除了稳定性之外的其它性能，导致其工程实用性都非常不足。

跟踪性是双边控制器设计的一项重要性能指标，体现的是主从双端的机器人彼此间的同步跟踪能力。在目前已有的主流双边控制方法中，跟踪性往往无法与稳定性得到兼顾。

以文献《An adaptive controller for nonlinear teleoperators》为例，文中设计了一种时延下稳定的双边控制方法，该方法能保证遥操作系统在时延下的稳定性，同时自适应机制的引入也对模型不确定性具有一定的鲁棒性。但是从文中对控制性能的分析可以发现，该方法最多只能保证主从双端的同步跟踪误差最终收敛到零，而无法确定这个过程的时间：如果需要很长的时间才能使误差趋近于零，那么该控制器将无法用于实际的遥操作任务。

另一方面，传统的终端滑模存在奇异性的问题，即控制器的状态变量在收敛到零的过程中的某一时刻出现无穷大。

发明内容