面向網(wǎng)絡協(xié)作遙操作的移動操作臂協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、將操作臂安裝于移動平臺之上構(gòu)成移動操作臂，使其同時具有移動平臺的移動特性和操作臂的操作特性，理論上擁有無限大的工作空間和高度的運動冗余性，大大擴展了其作業(yè)范圍，提高了操作靈活性以及完成復雜作業(yè)任務的適應能力。面向網(wǎng)絡的多操作者多移動操作臂（ multi-operator multi-mobile-manipulator，MOM3）遙操作系統(tǒng)具有網(wǎng)絡性、分布性、移動性、協(xié)作性等特點，增強了遙操作系統(tǒng)對于復雜作業(yè)的適應能力及應用范圍。為了實

2、現(xiàn)多操作者通過網(wǎng)絡高效地、安全地控制多移動操作臂完成協(xié)調(diào)作業(yè)任務，MOM3協(xié)作遙操作系統(tǒng)中不僅需要對從操作端多移動操作臂進行運動、力的協(xié)調(diào)控制，還需考慮多操作者的操作各異性對系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和作業(yè)性能的影響。因此，研究面向網(wǎng)絡的協(xié)作遙操作協(xié)調(diào)控制方法成為當前協(xié)作遙操作亟待解決的問題。本文針對自行研制的全方位移動操作臂，對移動操作臂解耦控制、多移動操作臂間的協(xié)調(diào)控制以及MOM3的協(xié)調(diào)控制等問題展開了深入的研究。
　　移動操作臂是進

3、行協(xié)作遙操作實驗的硬件基礎，是實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制策略的重要執(zhí)行機構(gòu)。為此，將輪式全方位移動平臺與6-DOF操作臂相結(jié)合，研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)的全方位移動操作臂，采用超聲、紅外、力/力矩等傳感器設計多傳感器系統(tǒng)以實現(xiàn)對移動操作臂的精確控制。移動平臺輪系采用具有差動補償形式的模塊化結(jié)構(gòu)。操作臂設計為六自由度串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，采用基于分層控制的伺服結(jié)構(gòu)進行控制。為了驗證所研制的移動操作臂的性能及精度，針對移動平臺直線運動、零半徑回轉(zhuǎn)運動及操作臂重復

4、定位等幾種典型動作分別進行實驗研究，結(jié)果表明所研制的全方位移動操作臂設計合理并可以有效地完成精確操作。
　　針對具有時變、強耦合和非線性動力學特性的移動操作臂系統(tǒng)，采用微分幾何方法，通過適當?shù)奈⒎滞吆头蔷€性反饋實現(xiàn)系統(tǒng)多輸入多輸出非線性解耦控制，將多變量、非線性、強耦合的復雜系統(tǒng)精確轉(zhuǎn)換為線性解耦系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)解耦線性化方法所帶來的局部線性化及近似線性化等問題。為了克服微分幾何方法對精確數(shù)學模型的要求，提高移動操作臂系統(tǒng)在動力

5、學模型不精確及存在外部擾動條件下良好的軌跡跟蹤能力，提出一種基于微分幾何精確解耦理論的模糊自適應協(xié)調(diào)控制方法，將滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng) PI控制相結(jié)合，設計模糊自適應補償控制器，有效抑制了系統(tǒng)在切換滑模面時產(chǎn)生的抖振，提高了系統(tǒng)的控制精度。對解耦后的子系統(tǒng)分別設計 PD軌跡跟蹤控制器及模糊自適應控制器，并進行仿真分析，結(jié)果表明控制器具有良好的跟蹤效果，驗證了所提協(xié)調(diào)控制理論及方法的正確性。
　　為實現(xiàn)對具有不確定性參數(shù)的多操作臂系統(tǒng)的協(xié)調(diào)

6、控制，在同步控制基礎上引入包含位置誤差和同步誤差的耦合誤差，提出一種能夠自適應校正系統(tǒng)參數(shù)的同步控制策略，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明系統(tǒng)的全局穩(wěn)定性，實現(xiàn)在系統(tǒng)模型不精確的情況下，單操作臂按期望軌跡穩(wěn)定運動，同時雙操作臂間保持同步運動。針對時延條件下的操作臂同步協(xié)調(diào)控制，將廣義預測控制與交叉耦合控制方法相結(jié)合，提出改進的廣義預測控制，克服了時延對系統(tǒng)操作性能的影響，實現(xiàn)時延條件下多操作臂的同步協(xié)調(diào)控制。對兩個移動操作臂進行協(xié)調(diào)搬

7、運實驗研究，實驗結(jié)果驗證所提策略的正確性和有效性。
　　針對多自由度操作臂的雙邊控制，建立多自由度遙操作系統(tǒng)波變換公式，突破傳統(tǒng)單自由度波變換公式的局限性，為多自由度操作臂遙操作奠定理論基礎。設計融合操作者控制命令、操作臂末端的六維力/力矩反饋信息以及協(xié)調(diào)因子信息的任務技能均衡器，進而對多操作臂協(xié)調(diào)性能及效果進行客觀評價，克服了多操作者操作各異性及通訊時延導致的從端操作臂運動沖突，提高協(xié)調(diào)控制精度，實現(xiàn)多操作者多移動操作臂協(xié)作遙操

8、作的協(xié)調(diào)控制。通過實驗驗證所提方法的有效性。
　　建立基于網(wǎng)絡的MOM3協(xié)作遙操作系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)實驗平臺的構(gòu)成。以高危核燃料棒搬運的無人操作為應用背景，設計多操作者通過網(wǎng)絡操作多個操作臂在危險環(huán)境下進行協(xié)調(diào)搬運的作業(yè)任務，使用本文所提出的MOM3協(xié)調(diào)控制策略，完成包括松協(xié)調(diào)、移動緊協(xié)調(diào)和操作緊協(xié)調(diào)三種不同類型的協(xié)調(diào)過程，實現(xiàn)了操作者與操作者、多操作者與多操作臂、操作臂與操作臂之間良好的協(xié)調(diào)控制。綜合驗證了所提出的各種協(xié)調(diào)控制方法的