1.一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:步骤1、建立磁滞非线性受限下的遥操作系统动力学模型;
步骤2、分别选取主机器人和从机器人并通过网络相连组成遥操作系统,分别测量主机器人和从机器人的系统参数;
步骤3、实时测量主机器人和从机器人的机械臂位置信息,设计基于双层二阶滑模的速度观测器,保证其速度观测误差在有限时间内趋于零点,利用等效控制和低通滤波的方法对操作者施加的力和外界环境施加的力进行近似力估计;
步骤4、利用李雅普诺夫方程给出速度观测器和力估计参数取值范围,根据实际应用对系统收敛时间的要求来确定速度观测器和力估计参数,将力估计的观测值反馈到控制器设计中;
步骤5、通过修正波变量的计算方法设计时变时延下的四通道波变量通信通道;
步骤6、通过时域无源控制和自适应控制方法设计四通道双边控制器,消除磁滞非线性对系统造成的不良影响。
2.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:所述步骤1中,磁滞非线性受限下的遥操作系统的动力学模型为:其中,下标m代表主机器人,s代表从机器人,Mm(qm),Ms(qs)∈Rn×n为系统的正定惯性矩阵; 为哥氏力和离心力的向量;Gm(qm),Gs(qs)∈Rn为系统的重力力矩;Fh,Fe∈Rn分别为操作者施加的外力和环境施加的外力;τm(um),τs(us)∈Rn为控制器提供的控制力矩n
θm,θs是未知正常数,um,us∈R代表控制对象的输入,也表示磁滞非线性的输出;
。
3.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:所述步骤2中主、从机器人的系统参数包括:机械臂的长度信息和质量信息,以及根据机械臂的长度和质量信息分别计算出的主机器人和从机器人的惯性矩阵、哥氏力、离心力矩阵和重力项。
4.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:步骤3中,主机器人的速度有限时间观测器如下:其中, 分别表示 的估计值;zm1=[zm11(t),zm12(t),…,zm1n(t)]T∈Rn,zm2=[zm21(t),zm22(t),…,zm2n(t)]T∈Rn;
定义向量zm1,zm2的第i个元素为:
其中
αm0i,βm0i是给定的正常数;
自适应控制律设计为:
其中,lm0i是一个足够小的正常数且Lmi(t)>lm0i>0;rmi,γmi,δm0,∈mi是给定的正常数;
δm(t)=[δm1,δm2,…,δmn]T;
定义主端机器人估计误差 得到误差动力学方程:其中,
由速度观测器的有限时间收敛性得到
根据等效控制理论得到切换项 补偿fmi(t),即假设 成立,其中,正常数a0i,a1i是未知有界的;
利用低通滤波方法,得到:
其中,足够小的时间常数σmi是给定的正常数;
操作者施加到主机器人的力估计为:
同理,从机器人的速度观测器为:
外界环境施加到从机器人的力估计为:
。
5.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:步骤4中,选取李雅普诺夫函数如下其中,ei(t)=a1i/(amiβm0i)-rmi(t), 为安全裕度且满足ami<1/βm0i<1,0<amiβm0i<1;Pi为正定矩阵;
主机器人速度观测器和力估计的取值条件满足如下条件其中,∈0=[∈01,∈02,…,∈0n]且∈0i为正常数;
C0=[1 0]
从机器人速度观测器和力估计的方法与主机器人速度观测器和力估计的方法相同。
6.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:所述步骤5中,引入修正波变量的计算方法,设计时变时延下的四通道波变量通信通道的具体步骤包括:主机器人的位置和速度通过设计的时变时延下的四通道波变量通信通道,使从机器人跟随主机器人运动;实现主从机器人跟随运动的双向控制;操作者施加的外力经过设计的时变时延下的四通道波变量通信通道反馈到从机器人的控制器设计上;
环境施加给从机器人的外力经过设计的时变时延下的四通道波变量通信通道传递给主机器人。
7.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:所述步骤5中,系统的非物理输入位置、速度和力为:其中,μ1,μ2为正常数;
由此得到系统的非物理输出位置、速度和力混合项为:其中,Td1(t)=T1(t)+T2(t-T1(t)),Td2(t)=T2(t)+T1(t-T2(t));
在时变时延下的四通道波变量通信通道中,修正波变量公式如下:其中,b1,2,λ1,2为正特性阻抗;um1,um2是主机器人的前向波变量,us1,us2是从机器人的前向波变量,vm1,vm2是主机器人的反向波变量,vs1,vs2是从机器人的反向波变量;T1(t)代表主端到从端的信息传输时延,T2(t)代表从端到主端的信息传输时延,时延均为非对称时变时延且假设0≤T1(t)≤d1,0≤T2(t)≤d2, ρ1+ρ2<1,d1,d2,ρ1,ρ2为任意的正常数。
8.根据权利要求1所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:步骤6中,结合自适应控制方法设计四通道双边控制器的利用时域无源控制方法设计无源性观测器为:无源性控制器为:
其中
其中,ζ为正常数。
9.根据权利要求8所述的一种磁滞非线性受限下的四通道遥操作力反馈控制方法,其特征在于:步骤6中,利用时域无源控制方法设计无源性观测器结合自适应控制方法设计四通道双边控制器:其中
αm,αs是正常数;
自适应控制律为:
保证在磁滞非线性受限以及力反馈情况下的遥操作系统的稳定运行的控制参数满足。