参数不确定性遥操作系统的四通道双边自适应控制算法研究

In a teleoperation system, a human operator utilizes a master robot to operate a slave robot located at a remote environment in order to perform a task. Teleoperation systems are widely applied to the environments that are inaccessible or too hazardous for the human to be in. However, research so far on adaptive control of teleoperation systems stops short of considering other parametric uncertainties besides dynamic uncertainties. In this project, for the problem that parametric uncertainties may degrade the system transparency, new bilateral adaptive control schemes are developed based on the 4-channel teleoperation architecture. The contributions of this project are as follows: A 4-channel adaptive control scheme is proposed based on inverse dynamics to compensate for dynamic uncertainties and obtain a linear and decoupled closed-loop; Employing passivity approach, a 4-channel adaptive control scheme is designed based on approximate Jacobian tracking control algorithm to deal with dynamic and kinematic uncertainties; Combinating the tracking error and predition error, a 4-channel adaptive control scheme is presented based on composite tracking control algorithm to cope with linearly and nonlinearly parameterized uncertainties. This project will enhance the transparency of parametric uncertain teleoperation systems and can be applied to practical teleoperation systems such as outer space explosion, nuclear waste management and minimally invasive surgery. It is of important theory meaning and broad application prospects.

在遥操作系统中，操作者利用主机器人对远程环境中的从机器人进行操纵以完成某项任务，广泛应用于人难以进入的或危险的环境。当前遥操作自适应控制缺乏对动力学参数以外其他参数不确定性的考虑。本项目针对遥操作系统中参数不确定性会降低系统透明性的问题，基于遥操作四通道结构设计自适应控制器，进行新型的双边自适应控制算法研究。研究内容包括：采用逆动力学方法，提出一种能够补偿动力学参数不确定性的四通道自适应控制方法，并获得线性、解耦的闭环系统；采用无源性方法，提出基于近似雅可比跟踪控制算法的四通道自适应控制方法，用于研究动力学和运动学参数不确定性；采用跟踪误差和预测误差相结合的方法，提出基于复合轨迹控制算法的四通道自适应控制方法，用于研究线性化和非线性化参数不确定性。本项目的研究成果将提高参数不确定性遥操作系统的透明性，可用在太空探测、核废弃物管理、微创手术等实际遥操作中，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。

本项目主要针对遥操作系统中参数不确定性会降低系统透明性的问题，基于遥操作四通道结构设计自适应控制器，进行新型的双边自适应控制算法研究：首先，针对遥操作系统中动力学参数和运动学参数的不确定性问题，提出了一种基于PEB的自适应控制方法，可以同时处理这两种不确定性，并且具有良好的位置和力跟踪性能；针对非线性遥操作系统，为主机器人和从机器人分别设计了滑模控制器并融入四通道结构中，消除遥操作系统所受的外部干扰，确保遥操作系统的透明性；针对含有未知死区特性的机器人关节位置和力控制问题，提出了一种四通道遥操作系统的双边自适应控制系统，有效解决主从机器人死区的不确定性和未知性产生的问题，提高遥操作系统透明性和稳定性；针对双PHANTOM Omni组成的遥操作系统，提出了一种基于PID结合反演控制方法，可以确保系统稳定性且具有良好的位置和力跟踪性能；针对遥操作系统中通信通道时间延迟具有时变性和不对称性的特点，提出了一种位置和力跟踪控制系统，解决时变时延产生的主从机器人位置信号和力信号传输延迟问题，减小主从机器人之间的位置误差和力误差；针对多边触觉遥操作系统的稳定性问题，提出了一系列的多边触觉遥操作系统的稳定性判定方法，为遥操作系统的稳定性评判提供了有利的理论依据；针对具有外部干扰、内部动力学参数不确定性以及未知死区特性的一类不确定机器人系统，提出了一种基于干扰观测器的自适应控制器。发表相关学术论文10 篇，其中被SCI、EI 检索论文8 篇，录用2篇SCI期刊，已授权发明专利2项，培养3名硕士研究生，1名青年科技骨干。