弱网络通信环境下多柔性机器人遥操作系统的间歇性协同控制研究

The flexible robot plays an important role in national defense and industry fields with the advantages of light-weight、high-speed、low-energy、large operating space and so on. The network transmission time delay and the probable packet dropout bring some challenging issues for the modeling and control of the multiple flexible telerobotics system. This project will focus on studying the intermittent coordination control problem of multiple flexible telerobotics system with limited network environment. The strong robustness and strong self-sustaining are guaranteed in this project. Moreover, the high performance coordination control for multiple flexible telerobotics system also will be provided. Firstly, the modeling problem is considered for the networked multiple flexible telerobotics system. The interconnected uncertain nonlinear dynamics model with network parameters、 environment force parameters、 flexible characteristics and coupling elements is constructed. Secondly, a new control scheme is designed to provide some high performances like low overshoot、finite time convergence and high accuracy. Furthermore, an intermittent control approach is studied with measurement output feedback. Thus the control information and the communication cost will be reduced, and the life of the closed-loop system will be prolonged. Finally, an experimental platform will be built to test the proposed results in this project. The output of this project will greatly enrich and develop the flexible robot control theory. Furthermore, this project is significant for the practical applications of teleoperation system.

柔性机器人具有质轻、高速、低能耗、大操作空间等众多优点，在国防及工业应用领域中占有举足轻重的地位。网络信息传输延迟和随机丢包等问题给网络化多柔性机器人遥操作系统的建模与控制提出了新的挑战。本项目聚焦于研究弱网络通信环境下多柔性机器人遥操作系统的间歇性协同控制问题，在保证系统具有强鲁棒性以及强自持性的基础上，实现多柔性机器人遥操作系统的高性能协同操作。首先，针对网络化多柔性机器人遥操作系统，融入网络参数、操作环境参数、机器人柔性特征和耦合参数建立关联滞后不确定非线性动力学模型；其次，提出确保系统满足低超调、高精度、有限时间收敛等性能的高性能控制策略；进一步，研究基于系统输出信息的间歇性协同控制方案，降低信息传输维数、减少通信消耗、延长系统工作寿命。最后，搭建多柔性机器人遥操作系统实验平台，为本项目提供技术支撑和应用原型。该项目将丰富和发展柔性机器人控制理论，对遥操作系统应用研究具有重要意义。

柔性机器人系统具有质量轻、运行速度快、能量消耗低、空间操作大等众多优点，其在国防及工业应用领域中占有举足轻重的地位。由柔性机器人组成的网络化遥操作系统兼具柔性机器人及网络化远程操作系统的优点，然而网络信息传输延迟和随机丢包等问题给网络化多柔性机器人遥操作系统的建模与控制提出了新的挑战。本项目聚焦于研究弱网络通信环境和复杂操作环境下多柔性机器人遥操作系统的间歇性协同控制问题，在保证系统具有强鲁棒性以及强自持性的基础上，实现了多柔性机器人遥操作系统的高性能协同操作。首先，针对网络化多柔性机器人遥操作系统，通过融入网络参数、操作者和操作环境参数、机器人柔性特征、机器人耦合参数和力作用关系，建立了网络化多柔性机器人遥操作系统的关联滞后不确定非线性动力学模型，该模型的建立为其高性能控制打下了坚实的基础；其次，暂稳态性能约束下研究了多柔性机器人遥操作系统的有限时间自适应控制器设计问题。通过将实际性能需求转化为相应的系统性能约束函数，进而设计复合参数估计策略，从而确保系统满足低超调、高精度、有限时间收敛等性能需求；进一步，为减少机器人之间不必要的通信消耗，降低通信频率，设计了基于系统输出信息的事件驱动协同控制方案，通过降低单次通信的数据量，不仅可以实现降低通信能量消耗，同时能减少对通信带宽的需求，采用新的事件触发机制，使其不依赖于邻接机器人的实时连续信息。最后，项目组搭建了多柔性机器人半物理仿真平台，并基于该平台对所研究的算法进行了验证。该项目的顺利开展在一定程度上丰富和发展了柔性机器人控制理论和非线性系统控制理论。将研究的方法应用于三一重工远程专业救援挖掘机中，解决挖掘机远程主从随动的“卡脖子”难题，同时将智能网络高精控制方法引入机器人装备中，重点解决机器人“通信调度与子系统控制协同设计”和“复杂环境下多机器人智能高效协同”两个关键问题，实现机器人多机协同作业。