一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，包括主機(jī)器人、線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器、編碼器、通訊網(wǎng)絡(luò)、解碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及從機(jī)器人，所述線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器的一端與主機(jī)器人連接，線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器的另一端與編碼器連接，編碼器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與解碼器連接，解碼器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、從機(jī)器人依次連接，所述從機(jī)器人與主機(jī)器人連接，本實(shí)用新型解決了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中存在的隨機(jī)馬爾科夫跳變問(wèn)題和編碼器、解碼器的輸出參數(shù)不匹配問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實(shí)用新型涉及一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，屬于遙操作機(jī)器人 系統(tǒng)隨機(jī)控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)化控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、強(qiáng)耦合、時(shí)變非線(xiàn)性系統(tǒng)。它由操作者，主、從機(jī) 器人、通信環(huán)節(jié)組成且受到外界復(fù)雜環(huán)境等影響。通常，它由操作者對(duì)主機(jī)器人進(jìn)行操作， 發(fā)送運(yùn)行指令，并經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳送到從機(jī)器人端，讓從機(jī)器人依照指令開(kāi)展相關(guān)工作。迄今 為止，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)已在多個(gè)領(lǐng)域，如空間探索、海洋開(kāi)發(fā)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等廣泛采用。遙操 作機(jī)器人系統(tǒng)的相關(guān)研究也變得如火如荼。
[0003] 混合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)上包括一個(gè)離合器和一個(gè)制動(dòng)器。隨著離合器工作狀態(tài)的模式切 換，機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應(yīng)的變化。通常將這種嵌入混合關(guān)節(jié)的機(jī)器人系統(tǒng)稱(chēng)為混合 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。與全驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)相比，混合驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)在節(jié)省能源、減少機(jī)構(gòu)冗 余等方面有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。將其嵌入傳統(tǒng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)極大地提高遙操作機(jī)器 人系統(tǒng)的工作能力與效率。
[0004] 信道帶寬限制是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)不可避免的主要問(wèn)題之一。數(shù)據(jù)量化是解決這 一難題的有效途徑之一。自2001年以來(lái)，大量信號(hào)量化領(lǐng)域的文章在國(guó)內(nèi)外主流科技期刊 雜志上的刊登有力地促成了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)量化反饋控制問(wèn)題的研究。這些理論成果為遙操作機(jī) 器人系統(tǒng)的控制研究提供了方法，打開(kāi)了思路。在實(shí)際工程中，如遙操作機(jī)器人領(lǐng)域，量化 器的引入也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，編碼器與解碼器不匹配問(wèn)題是其中較為突出的問(wèn)題之 〇
[0005] 現(xiàn)有的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)模型不能很好的刻畫(huà)因采用混合關(guān)節(jié)以及量化器等裝 置情形下的混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，進(jìn)而導(dǎo)致控制方法、以及控制效果都比 較受限。
[0006] 因此，需要一種更好的動(dòng)態(tài)模型描述混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)并提供 相應(yīng)的控制方法來(lái)解決上述問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型發(fā)明的目的是提供一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，該混 合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)解決了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中存在的隨機(jī)馬爾科夫跳 變問(wèn)題和編碼器、解碼器的輸出參數(shù)不匹配問(wèn)題。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型的一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系 統(tǒng)包括主機(jī)器人、線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器、編碼器、通訊網(wǎng)絡(luò)、解碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及從 機(jī)器人，所述線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器的一端與主機(jī)器人連接，線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制 器的另一端與編碼器連接，編碼器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與解碼器連接，解碼器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、從機(jī)器 人依次連接，所述從機(jī)器人與主機(jī)器人連接。
[0009] 所述通訊網(wǎng)絡(luò)采用3G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)。
[0010] 所述通訊網(wǎng)絡(luò)采用WLAN網(wǎng)絡(luò)。
[0011] 所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行器。
[0012] 所述編碼器為光電編碼器。
[0013] 采用這種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0014] 由于采用了線(xiàn)性控制器，這樣解決了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中存在的隨機(jī)馬爾科夫跳 變問(wèn)題；由于采用了非線(xiàn)性控制器，利用主機(jī)器人的信息以及編碼器的輸出參數(shù)信息，主要 解決了編碼器、解碼器的輸出參數(shù)不匹配問(wèn)題。本實(shí)用新型通過(guò)更好的刻畫(huà)因混合關(guān)節(jié)裝 置以及量化器裝置等嵌入的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，并給出包含線(xiàn)性控制器與非線(xiàn)性控制器的 控制方案更加有效的實(shí)現(xiàn)從機(jī)器人對(duì)主機(jī)器人的軌跡跟蹤。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0016]圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)不意圖。
[0017]圖2是本實(shí)用新型中混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡仿真曲線(xiàn)。
[0018] 圖3是本實(shí)用新型中混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人速度仿真曲線(xiàn)。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 圖1所示一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，包括主機(jī)器人、線(xiàn)性控制 器、非線(xiàn)性控制器、編碼器、通訊網(wǎng)絡(luò)、解碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及從機(jī)器人，所述線(xiàn)性控制器、非 線(xiàn)性控制器的一端與主機(jī)器人連接，線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器的另一端與編碼器連接，編 碼器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與解碼器連接，解碼器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、從機(jī)器人依次連接，所述從機(jī)器人與 主機(jī)器人連接，從機(jī)器人將執(zhí)行情況傳遞給主機(jī)器人。
[0020] 所述通訊網(wǎng)絡(luò)采用3G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)。
[0021] 所述通訊網(wǎng)絡(luò)采用WLAN網(wǎng)絡(luò)。
[0022]所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行器。
[0023] 所述編碼器為光電編碼器。
[0024] 首先，混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)隨著混合關(guān)節(jié)離合器工作狀態(tài)的不同而發(fā) 生變化，這種變化是隨機(jī)的，且滿(mǎn)足馬爾科夫變化規(guī)律，這在混合驅(qū)動(dòng)的非遙操作機(jī)器人系 統(tǒng)的研究中已經(jīng)證實(shí)，本實(shí)用新型專(zhuān)利描述混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)如下公式所示
[0025] i(；) = (/-}(/; ) + A/J(r,+(B{ (rl) + ABl (r,))^(?)+ B2 (r,)(2(u{t)) (1)
[0026] 其中，x(t)為混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)，CO (t)為遙操作機(jī)器人特有的 可測(cè)外部或內(nèi)部信息。U(t)為系統(tǒng)的控制輸入。分別為機(jī)器人系統(tǒng)的系 統(tǒng)矩陣，干擾輸入矩陣以及控制輸入矩陣，A A(rt)與A Bi(rt)均為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定矩陣。rt 是一種數(shù)學(xué)描述，用于刻畫(huà)系統(tǒng)模式，符合馬爾科夫隨機(jī)跳變規(guī)律。Q(u(t))為經(jīng)編碼器編 碼，并經(jīng)通訊通道傳輸至從機(jī)器人端由解碼器解碼給出的量化控制輸入，其一般形式如下：
[0027] Q{u{t))=Td{i)q (2)
[0028]其中
為編碼器編碼傳送至解碼器的輸入信號(hào)。參數(shù)％(t)和U(t)分別為 編碼器與解碼器的輸出參數(shù)。所謂的編碼器與解碼器參數(shù)不匹配指的是這兩個(gè)參數(shù)不相等 且不保持同步變化。
[0029]所述的控制裝置由計(jì)算機(jī)或單片機(jī)等構(gòu)成，包括線(xiàn)性控制器和非線(xiàn)性控制器。如 圖1所示，整個(gè)控制裝置設(shè)計(jì)安裝在主機(jī)器人端?？刂破鬏敵鲇删幋a器裝置編碼，經(jīng)通訊通 道傳輸至從機(jī)器人端。然后由從機(jī)器人端的解碼器解碼，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)指示從機(jī)器人開(kāi)展各 項(xiàng)工作。
[0030] 所述的線(xiàn)性控制器裝置的控制輸入描述為：
[0031] UL(t) =Ki(rt)x(t)+K2(rt) w (t) (3)
[0032] 通過(guò)定義適當(dāng)?shù)腖yanpunov函數(shù)或泛函，并利用線(xiàn)性矩陣不等式技術(shù)及自由權(quán)矩 陣技術(shù)，可以設(shè)計(jì)出混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的最優(yōu)控制器增益矩陣心與心。線(xiàn)性控制器 主要用于解決遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中存在的隨機(jī)馬爾科夫跳變問(wèn)題，也可擴(kuò)展解決某些優(yōu)化 問(wèn)題。
[0033] 所述的非線(xiàn)性控制器裝置利用主機(jī)器人的信息以及編碼器的輸出參數(shù)信息，主要 用于抵消編碼器、解碼器的輸出參數(shù)不匹配問(wèn)題，其結(jié)構(gòu)如下：
[0034] UN(t) = f (x(t),xc,rt) (4)
[0035] 綜合所述的兩部分控制裝置，能夠確?；旌向?qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)（1) 是安全穩(wěn)定、性能良好的工作。
[0036]為了驗(yàn)證本實(shí)用新型的效果，利用Matlab軟件編程進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。
[0037] 在圖2中，狀態(tài)^與^分別為主機(jī)器人與從機(jī)器人的位置，圖3中狀態(tài)^與^則分別 為主機(jī)器人與從機(jī)器人的速度。由圖2與圖3可以看出，從機(jī)器人的位置和速度均能很好的 跟蹤主機(jī)器人的位置和速度，即，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的控制期望。
[0038] 從上面描述可以看出本實(shí)用新型提供方法能夠確保混合驅(qū)動(dòng)遙操作機(jī)器人量化 控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定、性能良好的工作。
[0039] 本申請(qǐng)中沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明的技術(shù)特征為現(xiàn)有技術(shù)。上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本申請(qǐng) 的原理及其功效，而非用于限制本申請(qǐng)。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本申請(qǐng)的精 神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫 離本申請(qǐng)所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本申請(qǐng)的權(quán)利 要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，其特征在于:包括主機(jī)器人、線(xiàn)性控制 器、非線(xiàn)性控制器、編碼器、通訊網(wǎng)絡(luò)、解碼器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及從機(jī)器人，所述線(xiàn)性控制器、非 線(xiàn)性控制器的一端與主機(jī)器人連接，線(xiàn)性控制器、非線(xiàn)性控制器的另一端與編碼器連接，編 碼器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)與解碼器連接，解碼器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、從機(jī)器人依次連接，所述從機(jī)器人與 主機(jī)器人連接。2. 按照權(quán)利要求1所述的混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，其特征在于:所述通 訊網(wǎng)絡(luò)采用3G網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò)。3. 按照權(quán)利要求1所述的混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，其特征在于:所述通 訊網(wǎng)絡(luò)采用WLAN網(wǎng)絡(luò)。4. 按照權(quán)利要求1所述的混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，其特征在于:所述執(zhí) 行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行器。5. 按照權(quán)利要求1所述的混合驅(qū)動(dòng)的遙操作機(jī)器人量化控制系統(tǒng)，其特征在于:所述編 碼器為光電編碼器。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK205630645SQ201620469498
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】鄭柏超, 陳天, 薛艷梅, 傅曦雨
【申請(qǐng)人】南京信息工程大學(xué)