[发明专利]一种针对非对称结构下柔性遥操作系统的控制方法

权利要求书

1.一种针对非对称结构下柔性遥操作系统的控制方法，其特征在于：该方法内容包括以下步骤：

S1.建立n维非对称结构下柔性遥操作系统模型，针对由两个柔性关节机器人系统组成的遥操作系统，其动力学模型为：

其中，下标m代表主机器人，下标s代表从机器人；q_m,q_s∈Rⁿ为关节位移矩阵；θ_m,θ_s∈Rⁿ为主、从机器人的电机位置矩阵；M_m(q_m),M_s(q_s)∈R^n×n为系统的正定惯性矩阵；为哥氏力和离心力的向量；K_m,K_s∈R^n×n代表关节刚度系统的对角正定常数矩阵；B_m,B_s∈R^n×n为执行器阻尼矩阵；J_m,J_s∈R^n×n代表主、从机器人的电动机惯性常数对角矩阵；F_h∈Rⁿ和F_e∈Rⁿ分别为人类操作者施加的力和环境施加的力矩；τ_m∈Rⁿ和τ_s∈Rⁿ为控制器提供的控制力矩；T_m(t)为信息从主端到从端的网络通信传输时延，t代表时间，说明T_m(t)为随时间变化的时变时延；

将从机器人的控制器置于主端，在此结构下远处的从机器人只需要将位置、速度信号传输到控制器，并接收来自控制器的控制输入；非对称结构下的远程遥操作系统中从机器人的控制方法可以在近处进行实现和修改；

S2.在网络通信时变时延下定义主、从机器人位置同步误差变量，并基于定义的主、从机器人位置同步误差变量，设计新的带有输入时延的主从机器人控制方法；

S3.基于线性矩阵不等式(2)给出遥操作系统的稳定的时滞相关稳定性条件，

其中，*代表相应矩阵的转置，和分别代表时变时延T_m(t)和T_s(t)的最大值，K_p,K_d为对角正定常数矩阵，Z,S,H为正定矩阵，保证遥操作系统在外界输入力为零时的稳定性和同步性。

2.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构下柔性遥操作系统的控制方法，其特征在于：在步骤S2中，所述网络通信时变时延下定义主、从机器人位置同步误差变量，并基于定义的主、从机器人位置同步误差变量，设计新的带有输入时延的主从机器人控制方法；其具体内容是：

网络通信时变时延下主、从机器人位置同步误差变量的定义公式为：

e＝θ_m-θ_s(t-T_s(t)) (3)

其中，e为主、从机器人位置同步误差变量，θ_m,θ_s∈Rⁿ为主、从机器人的电机位置矩阵，T_s(t)代表从端到主端的网络信息传输时延，t代表时间，说明时延为非对称时变时延；

基于(3)式定义的主、从机器人位置同步误差变量，设计新的带有输入时延的主从机器人控制方法为：

其中，为主机器人电机速度矩阵。

3.根据权利要求1所述的一种针对非对称结构下柔性遥操作系统的控制方法，其特征在于：在步骤S3中，所述基于线性矩阵不等式给出遥操作系统的稳定的时滞相关稳定性条件，保证遥操作系统在外界输入力为零时的稳定性和同步性；其具体过程为：选取李亚普诺夫方程如下：

其中，(θ_m-θ_s)^T代表向量(θ_m-θ_s)的转置，为从机器人电机速度矩阵；ξ和υ为变化范围分别为[t,t+υ]和的变量；

首先，对V₁求导为：

根据所设计的控制方法可得：

其次，对V₂求导为：

那么可得：

进而，对V₃求导为：

进一步，可得：

其中，

其中，Z^-1,S^-1,H^-1分别为矩阵Z,S,H的逆；

因此最后可得：

根据以上不等式可得相应的线性矩阵不等式(2)；

当操作者、外界输入力为零，且上述(2)式线性矩阵不等式成立时，那么不对称柔性遥操作系统稳定，且同步误差变量e渐近收敛至零点。