面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作遙操作的移動(dòng)操作臂協(xié)調(diào)控制研究.pdf

1、將操作臂安裝于移動(dòng)平臺(tái)之上構(gòu)成移動(dòng)操作臂，使其同時(shí)具有移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)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(yùn)動(dòng)冗余性，大大擴(kuò)展了其作業(yè)范圍，提高了操作靈活性以及完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的適應(yīng)能力。面向網(wǎng)絡(luò)的多操作者多移動(dòng)操作臂（ multi-operator multi-mobile-manipulator，MOM3）遙操作系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)性、分布性、移動(dòng)性、協(xié)作性等特點(diǎn)，增強(qiáng)了遙操作系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜作業(yè)的適應(yīng)能力及應(yīng)用范圍。為了實(shí)

2、現(xiàn)多操作者通過網(wǎng)絡(luò)高效地、安全地控制多移動(dòng)操作臂完成協(xié)調(diào)作業(yè)任務(wù)，MOM3協(xié)作遙操作系統(tǒng)中不僅需要對(duì)從操作端多移動(dòng)操作臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、力的協(xié)調(diào)控制，還需考慮多操作者的操作各異性對(duì)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(luò)的協(xié)作遙操作協(xié)調(diào)控制方法成為當(dāng)前協(xié)作遙操作亟待解決的問題。本文針對(duì)自行研制的全方位移動(dòng)操作臂，對(duì)移動(dòng)操作臂解耦控制、多移動(dòng)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(dòng)操作臂是進(jìn)

3、行協(xié)作遙操作實(shí)驗(yàn)的硬件基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制策略的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。為此，將輪式全方位移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)操作臂，采用超聲、紅外、力/力矩等傳感器設(shè)計(jì)多傳感器系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)操作臂的精確控制。移動(dòng)平臺(tái)輪系采用具有差動(dòng)補(bǔ)償形式的模塊化結(jié)構(gòu)。操作臂設(shè)計(jì)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(jìn)行控制。為了驗(yàn)證所研制的移動(dòng)操作臂的性能及精度，針對(duì)移動(dòng)平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)、零半徑回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及操作臂重復(fù)

4、定位等幾種典型動(dòng)作分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明所研制的全方位移動(dòng)操作臂設(shè)計(jì)合理并可以有效地完成精確操作。
　　針對(duì)具有時(shí)變、強(qiáng)耦合和非線性動(dòng)力學(xué)特性的移動(dòng)操作臂系統(tǒng)，采用微分幾何方法，通過適當(dāng)?shù)奈⒎滞吆头蔷€性反饋實(shí)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(qiáng)耦合的復(fù)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(duì)精確數(shù)學(xué)模型的要求，提高移動(dòng)操作臂系統(tǒng)在動(dòng)力

5、學(xué)模型不精確及存在外部擾動(dòng)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(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，將滑?？刂坪蛡鹘y(tǒng) PI控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)補(bǔ)償控制器，有效抑制了系統(tǒng)在切換滑模面時(shí)產(chǎn)生的抖振，提高了系統(tǒng)的控制精度。對(duì)解耦后的子系統(tǒng)分別設(shè)計(jì) PD軌跡跟蹤控制器及模糊自適應(yīng)控制器，并進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明控制器具有良好的跟蹤效果，驗(yàn)證了所提協(xié)調(diào)控制理論及方法的正確性。
　　為實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǔ)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(yīng)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(shí)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(yùn)動(dòng)，同時(shí)雙操作臂間保持同步運(yùn)動(dòng)。針對(duì)時(shí)延條件下的操作臂同步協(xié)調(diào)控制，將廣義預(yù)測(cè)控制與交叉耦合控制方法相結(jié)合，提出改進(jìn)的廣義預(yù)測(cè)控制，克服了時(shí)延對(duì)系統(tǒng)操作性能的影響，實(shí)現(xiàn)時(shí)延條件下多操作臂的同步協(xié)調(diào)控制。對(duì)兩個(gè)移動(dòng)操作臂進(jìn)行協(xié)調(diào)搬

7、運(yùn)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證所提策略的正確性和有效性。
　　針對(duì)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(chǔ)。設(shè)計(jì)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(wù)技能均衡器，進(jìn)而對(duì)多操作臂協(xié)調(diào)性能及效果進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，克服了多操作者操作各異性及通訊時(shí)延導(dǎo)致的從端操作臂運(yùn)動(dòng)沖突，提高協(xié)調(diào)控制精度，實(shí)現(xiàn)多操作者多移動(dòng)操作臂協(xié)作遙操

8、作的協(xié)調(diào)控制。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性。
　　建立基于網(wǎng)絡(luò)的MOM3協(xié)作遙操作系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成。以高危核燃料棒搬運(yùn)的無人操作為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)多操作者通過網(wǎng)絡(luò)操作多個(gè)操作臂在危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行協(xié)調(diào)搬運(yùn)的作業(yè)任務(wù)，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(dòng)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(shí)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(yàn)證了所提出的各種協(xié)調(diào)控制方法的