一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统

1.本发明涉及遥操作机器人系统控制技术领域，尤其涉及一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统。


背景技术：

2.遥操作机器人系统通过将人所在的主端的命令和行为传输并作用在远端，从而实现对远端环境的操作和控制，可极大地提高操作者的安全性和工作效率，节约成本，更高效合理地利用资源。一个典型的遥操作系统由一个操作者、一个主机器人、通信通道、一个从机器人和远程环境组成。由于操作的便利性，遥操作系统在太空探索、勘探、医疗、国防等领域有着广泛的应用。但是，随着任务复杂性的增加，从端依赖单个机器人很难完成任务。因此，研究单主多从遥操作系统是十分必要的。
3.遥操作机器人系统是利用internet网络对主从端的机器人进行数据和状态的实时交互传输，但是网络传输会出现一系列的问题，包括数据丢失、延时、数据包混乱等情况。除此之外，在实际的生产中，通信带宽是有限的，很难完成繁重快速的信息交互，所以在通信带宽有限的情况下，研究如何进行有选择的信息交互，从而节省计算资源是很有必要的。近些年来，针对通信带宽有限的问题，多种方法被提出，使得遥操作机器人系统在带宽有限的情况下实现跟踪或同步问题，如调度协议，时间触发机制，事件触发机制等。
4.在往常对单主多从或多主多从遥操作系统的研究中，通常假设系统中所有机械手允许同时使用网络并发送(或接收)数据，使得系统中机械手同时发起通信时容易造成“数据冲突”。为了防止数据冲突的发生，我们希望只能有限数量的从服务器同时访问网络，在许多实际情况下，通信是由一个称为协议的调度规则协调的，通过该规则可以正确地调度网络资源。一般来说，我们常用的通信协议有round-robin(rr)协议、try-once-discard(tod)协议、随机通信协议(stochastic communication protocol，scp)等等。(li y,liu k,he w,et al.bilateral teleoperation of multiple robots under scheduling communication[j].ieee transactions on control systems technology,2020,28(5):1770-1784)设计了时变时延下的基于rr和tod调度协议通信的两种控制方案。这种方法虽然可以实现遥操作系统的主从同步，但仍然存在大量的传输数据冗余，浪费系统资源。
[0005]
在实际应用中，通信通常发生在数字网络上，信息会以离散的时间间隔进行交换。因此，为减少通信负担，实现按“需”传输，对事件触发采样机制的研究是有必要的，此时，在采样期间，信号保持不变，只有在满足触发条件(系统需要)即触发时刻，传输主从位置的采样信号，在确保系统性能的同时，不但可以减少信息同步的传输量，还能更大限度的利用有限带宽。


技术实现要素：

[0006]
本发明基于事件触发采样机制和tod协议，提出了一种主从同步的自适应控制策略，从而解决通信约束下遥操作机器人系统的主从同步问题。
[0007]
为解决上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：
[0008]
本发明提供一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，该方法适用于电子设备，方法步骤包括：
[0009]
s1、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0010]
s2、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；
[0011]
s3、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0012]
优选地，步骤s1中，以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器，包括：
[0013]
获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；
[0014]
根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；
[0015]
根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。
[0016]
优选地，获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数，包括：
[0017]
获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
[0018][0019]
其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，mm(qm),m
si
(q
si
)∈rn×n是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，gm(qm),g
si
(q
si
)∈rn表示系统的重力力矩，fm,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τm,τ
si
∈rn是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。
[0020]
优选地，根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：
[0021]
定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：
[0022][0023]
其中，xm,x
si
分别是主从观测器的输出，αm,α
si
,βm,β
si
,κm,κ
si
是正常数，tm(t),ts(t)分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号
对于时变时延tm(t),ts(t)：
[0024]
满足：0≤tj(t)≤dj,其中，dj,pj是正整数，j＝m,s。
[0025]
优选地，步骤s2中，基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型，包括：
[0026]
基于所述时间序列，对于每个k∈n，获得访问通信网络的活跃从机器人应满足下述公式(3)：
[0027][0028]
其中，qi表示加权矩阵，ηi表示传输误差，表示获得通信网络访问权限的从机器人,
[0029]
则，根据下述公式(4)计算从端的传输数据：
[0030][0031]
其中，表示从端向主端传输的最新数据，是获得通信网络访问权限的从机器人，根据(3)计算得到；
[0032]
则根据下述公式(5)对tod协议下传输数据的表示：
[0033][0034]
其中，是采样信号的重构信号。
[0035]
此外，从端数据传输间隔满足其中，h＞0为最大允许的传输间隔。
[0036]
优选地，步骤s3中，设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，包括：
[0037]
定义实际关节位置与观测器输出的误差em(t)＝qm(t)-xm(t),e
si
(t)＝q
si
(t)-x
si
(t)；进而定义同步变量
[0038]
设计如下述公式(6)的自适应控制器：
[0039][0040]
其中，为系统的回归矩阵，为参数自适应调节变量来估计由系统不确定参数组成的向量θz，γz为对角正定常数矩阵；t表示转置；
[0041]
定义测量误差事件触发条件设计如下述公式(7)所示：
[0042][0043]
其中，cz,μz,νz＞0。
[0044]
优选地，步骤s3中，利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制，包括：
[0045]
选取如下述公式(8)的非连续的李雅普诺夫函数：
[0046][0047]
则通过公式(8)可知，对于李雅普诺夫函数v(t)是连续且可微的；
[0048]
当满足线性矩阵不等式(9)则证明在跳跃的时刻处，v(t)是正的，并且不增长：
[0049][0050]
通过稳定性分析，满足线性矩阵不等式(10)：
[0051][0052]
此时单主多从遥操作系统稳定运行，且实现主从位置同步，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0053]
一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统，该系统用于上述的单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，系统包括：
[0054]
初始化模块，用于以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0055]
数据传输模型建立模块，用于基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；
[0056]
自适应控制模块，用于设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0057]
优选地，初始化模块，进一步用于获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；
[0058]
根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述
触发采样时刻通过时间序列表示；
[0059]
根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。
[0060]
优选地，初始化模块，进一步用于获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
[0061][0062]
其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，mm(qm),m
si
(q
si
)∈rn×n是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，gm(qm),g
si
(q
si
)∈rn表示系统的重力力矩，fm,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τm,τ
si
∈rn是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。
[0063]
一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器加载并执行以实现上述单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法。
[0064]
一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现上述单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法。
[0065]
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
[0066]
上述方案，本发明提供的一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，针对现有的技术缺陷，对存在时变通信时延、参数不确定性和速度不可测的单主多从遥操作机器人系统，通过构造虚拟观测器并基于事件触发采样机制和tod协议，提出了一种主从同步的自适应控制方案。本发明可以减少通信通道中的数据交互，减少通讯负担，更大程度的节省资源，在带宽有限的情况下使得主从端之间进行更有必要的信息交互。
附图说明
[0067]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0068]
图1为本发明所提供的一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法流程图。
[0069]
图2基于事件触发采样机制的tod调度协议下的单主多从遥操作系统自适应控制原理图；
[0070]
图3是单主多从遥操作系统的结构示意图；
[0071]
图4是遥操作系统的关节位置曲线图；
[0072]
图5是遥操作系统的关节速度曲线图；
[0073]
图6是虚拟观测器的输出位置曲线图；
[0074]
图7是虚拟观测器的输出速度曲线图；
[0075]
图8是遥操作系统的关节位置与虚拟观测器的输出位置的误差曲线图；
[0076]
图9是遥操作系统主从端的信号传输时刻图。
[0077]
图10为本发明所提供的一种粗单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统示意图。
[0078]
图11是本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0079]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0080]
本发明针对存在时变通信时延、参数不确定性和速度不可测的单主多从遥操作机器人系统，通过构造虚拟观测器并基于事件触发采样机制和tod协议，提出了一种主从同步的自适应控制方案。本发明可以减少通信通道中的数据交互，减少通讯负担，更大程度的节省资源，在带宽有限的情况下使得主从端之间进行更有必要的信息交互。
[0081]
图1是本发明的一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法流程图，该方法可以由电子设备实现。所述方法用于单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统，所述方法包括：
[0082]
s101、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0083]
一种可行的实施方式中，如图2所示基于事件触发采样机制的tod调度协议下的单主多从遥操作系统自适应控制算法，为获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；
[0084]
根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；
[0085]
根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。一种可行的实施方式中，获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数，包括：
[0086]
单主多从遥操作机器人系统的动力学模型如图3所示，获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
[0087][0088]
其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，mm(qm),m
si
(q
si
)∈rn×n是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，gm(qm),g
si
(q
si
)∈rn表示系统的重力力矩，fm,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τm,τ
si
∈rn是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。
[0089]
一种可行的实施方式中，本发明的研究目的是通过所提出的控制方案，保证主从
同步且多个从端机器人之间的协作运动，即其中表示从端编队的几何中心，且第i个从端机器人始终保持与编队几何中心的距离和方向γi，其中γi∈rn是一个常向量，满足
[0090]
一种可行的实施方式中，根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：
[0091]
定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：
[0092][0093]
其中，xm,x
si
分别是主从观测器的输出，αm,α
si
,βm,β
si
,κm,κ
si
是正常数，tm(t),ts(t)分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号对于时变时延tm(t),ts(t)：
[0094]
满足：0≤tj(t)≤dj,其中，dj,pj是正整数，j＝m,s。
[0095]
s102、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；
[0096]
一种可行的实施方式中，由于在主端有一个机器人，tod协议只应用于由从到主的通信通道。主从机器人的事件触发时刻由时间序列表示。用表示从端的传输时刻，应用tod调度协议每次时刻只允许一个从端机器人数据传输到主端，其中，即从端的传输时刻一定是从机器人的事件触发时刻。因此，基于所述时间序列，对于每个k∈n，获得访问通信网络的活跃从机器人应满足下述公式(3)：
[0097][0098]
其中，qi表示加权矩阵，ηi表示传输误差，表示获得通信网络访问权限的从机器人，
[0099]
则，根据下述公式(4)计算从端的传输数据：
[0100][0101]
其中，表示从端向主端传输的最新数据，是获得通信网络访问权限的从机
器人，根据(3)计算得到；
[0102]
则根据下述公式(5)对tod协议下传输数据的表示：
[0103][0104]
其中，是采样信号的重构信号。
[0105]
此外，从端数据传输间隔满足其中，h＞0为最大允许的传输间隔。
[0106]
s103、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0107]
一种可行的实施方式中，定义实际关节位置与观测器输出的误差em(t)＝qm(t)-xm(t),e
si
(t)＝q
si
(t)-x
si
(t)；进而定义同步变量
[0108]
设计如下述公式(6)的自适应控制器：
[0109][0110]
其中，为系统的回归矩阵，为参数自适应调节变量来估计由系统不确定参数组成的向量θz，γz为对角正定常数矩阵；t表示转置；
[0111]
定义测量误差事件触发条件设计如下述公式(7)所示：
[0112][0113]
其中，cz,μz,νz＞0。
[0114]
一种可行的实施方式中，选取如下述公式(8)的非连续的李雅普诺夫函数：
[0115][0116]
其中，
[0117]
其中，rm,r
si
,qi,ui,pi,zi是正定矩阵。
[0118]
则通过公式(8)和公式(8-1)可知，对于李雅普诺夫函数v(t)是连续且可微的；
[0119]
只要满足线性矩阵不等式(9)则证明在跳跃的时刻处，v(t)是正的，并且不增长：
[0120][0121]
通过稳定性分析，具体包括：对李雅普诺夫函数v求导，在满足线性矩阵不等式(10)的情况下，v的导数负半定。满足线性矩阵不等式(10)：
[0122][0123]
其中，
[0124]
此时单主多从遥操作系统稳定运行，且实现主从位置同步，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0125]
一种可行的实施方式中，如图4、图5、图6以及图7所示，为本发明中遥操作主从机器人实际关节位置、速度与虚拟观测器的输出位置、速度；图8所示为本发明中遥操作实际关节位置与虚拟观测器的位置误差图；图9所示，为本发明中主从端的数据传输时刻以及传输间隔图。
[0126]
一种可行的实施方式中，基于上述方法，本发明提出了基于事件触发采样的tod调度协议，将其应用于一类单主多从遥操作机器人系统，有效地避免了大量数据同时传输造成的网络堵塞，同时可以减少数据传输的负担和能源的消耗。
[0127]
本发明实施例中，考虑速度信号不可测和非对称时变时延影响下，受通信带宽限制，设计了单主多从遥操作系统的基于事件触发采样机制的tod调度协议下的自适应控制算法。应用事件触发机制和tod调度协议，主从机器人只需在事件触发条件满足时才进行采样，再结合tod协议进行有选择的信号传输，极大的减少了传输信号的冗余，避免了数据碰撞，降低了系统的通信负担，提高了资源利用率。
[0128]
如图10所示，本发明实施例提供了一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统200，该系统可以由电子设备实现。如图10所示的单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统200示意图，该系统200包括：
[0129]
初始化模块210，用于以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0130]
数据传输模型建立模块220，用于基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；
[0131]
自适应控制模块230，用于设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0132]
优选地，初始化模块210，进一步用于获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；
[0133]
根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；
[0134]
根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。
[0135]
优选地，初始化模块210，进一步用于获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
[0136][0137]
其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，mm(qm),m
si
(q
si
)∈rn×n是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，gm(qm),g
si
(q
si
)∈rn表示系统的重力力矩，fm,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τm,τ
si
∈rn是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。
[0138]
优选地，根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：
[0139]
定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：
[0140][0141]
其中，xm,x
si
分别是主从观测器的输出，αm,α
si
,βm,β
si
,κm,κ
si
是正常数，tm(t),ts(t)
分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号对于时变时延tm(t),ts(t)：
[0142]
满足：0≤tj(t)≤dj,其中，dj,pj是正整数，j＝m,s。
[0143]
优选地，数据传输模型建立模块220，进一步用于基于所述时间序列，对于每个k∈n，获得访问通信网络的活跃从机器人应满足下述公式(3)：
[0144][0145]
其中，qi表示加权矩阵，ηi表示传输误差，表示获得通信网络访问权限的从机器人，
[0146]
则，根据下述公式(4)计算从端的传输数据：
[0147][0148]
其中，表示从端向主端传输的最新数据，是获得通信网络访问权限的从机器人，根据(3)计算得到；
[0149]
则根据下述公式(5)对tod协议下传输数据的表示：
[0150][0151]
其中，是采样信号的重构信号。
[0152]
此外，从端数据传输间隔满足其中，h＞0为最大允许的传输间隔。
[0153]
优选地，自适应控制模块230，进一步用于定义实际关节位置与观测器输出的误差em(t)＝qm(t)-xm(t),e
si
(t)＝q
si
(t)-x
si
(t)；进而定义同步变量
[0154]
设计如下述公式(6)的自适应控制器：
[0155][0156]
其中，为系统的回归矩阵，为参数自适应调节变量来估计由系统不确定参数组成的向量θz，γz为对角正定常数矩阵；t表示转置；
[0157]
定义测量误差事件触发条件设计如下述公式(7)所示：
[0158][0159]
其中，cz,μz,νz＞0。
[0160]
优选地，自适应控制模块230，进一步用于选取如下述公式(8)的非连续的李雅普诺夫函数：
[0161][0162]
则通过公式(8)可知，对于李雅普诺夫函数v(t)是连续且可微的；
[0163]
当满足线性矩阵不等式(9)则证明在跳跃的时刻处，v(t)是正的，并且不增长：
[0164][0165]
通过稳定性分析，满足线性矩阵不等式(10)：
[0166][0167]
此时单主多从遥操作系统稳定运行，且实现主从位置同步，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0168]
本发明实施例中，提供的一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，针对现有的技术缺陷，对存在时变通信时延、参数不确定性和速度不可测的单主多从遥操作机器人系统，通过构造虚拟观测器并基于事件触发采样机制和tod协议，提出了一种主从同步的自适应控制方案。本发明可以减少通信通道中的数据交互，减少通讯负担，更大程度的节省资源，在带宽有限的情况下使得主从端之间进行更有必要的信息交互。
[0169]
图11是本发明实施例提供的一种电子设备300的结构示意图，该电子设备300可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)301和一个或一个以上的存储器302，其中，所述存储器302中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由所述处理器301加载并执行以实现下述单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法的步骤：
[0170]
s1、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；
[0171]
s2、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；
[0172]
s3、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用
李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。
[0173]
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括指令的存储器，上述指令可由终端中的处理器执行以完成上述单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法。例如，所述计算机可读存储介质可以是rom、随机存取存储器(ram)、cd-rom、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0174]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

技术特征：
1.一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法，其特征在于，所述方法步骤包括：s1、以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；s2、基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；s3、设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1中，以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器，包括：获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数，包括：获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，m
m
(q
m
),m
si
(q
si
)∈r
n
×
n
是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，g
m
(q
m
),g
si
(q
si
)∈r
n
表示系统的重力力矩，f
m
,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τ
m
,τ
si
∈r
n
是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器包括：定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻分别由时间序列表示；根据下述公式(2)为每个主从机械手分别构建虚拟观测器：其中，x
m
,x
si
分别是主从观测器的输出，α
m
,α
si
,β
m
,β
si
,κ
m
,κ
si
是正常数，t
m
(t),t
s
(t)分别表示主机器人到从机器人的前向信息传输时变时延和从机器人到主机器人的后向信息传输时变时延，是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是第i个从机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号是主机器人观测器的输出经采样传输后的重构信号对于时变时延t
m
(t),t
s
(t)：
满足：其中，d
j
,p
j
是正整数，j＝m,s。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中，基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型，包括：基于所述时间序列，对于每个k∈n，获得访问通信网络的活跃从机器人应满足下述公式(3)：其中，q
i
表示加权矩阵，η
i
表示传输误差，表示获得通信网络访问权限的从机器人，则，根据下述公式(4)计算从端的传输数据：其中，表示从端向主端传输的最新数据，是获得通信网络访问权限的从机器人，根据公式(3)计算得到；根据下述公式(5)对tod协议下传输数据进行表示：其中，是采样信号的重构信号；此外，从端数据传输间隔满足其中，h＞0为最大允许的传输间隔。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，包括：定义实际关节位置与观测器输出的误差e
m
(t)＝q
m
(t)-x
m
(t),e
si
(t)＝q
si
(t)-x
si
(t)；进而定义同步变量设计如下述公式(6)的自适应控制器：其中，为系统的回归矩阵，为参数自适应调节变量来估计由系统不确定参数组成的向量θ
z
，γ
z
为对角正定常数矩阵；t表示转置；定义测量误差事件触发条件设计如下述公式(7)所示：其中，c
z
,μ
z
,ν
z
＞0。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中，利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制，包括：选取如下述公式(8)的非连续的李雅普诺夫函数v(t)：则通过公式(8)可知，对于李雅普诺夫函数v(t)是连续且可微的；当满足线性矩阵不等式(9)则证明在跳跃的时刻处，v(t)是正的，并且不增长：通过稳定性分析，满足线性矩阵不等式(10)：此时单主多从遥操作系统稳定运行，且实现主从位置同步，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。8.一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制系统，其特征在于，所述系统包括：初始化模块，用于以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；数据传输模型建立模块，用于基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的tod调度协议的数据传输模型；自适应控制模块，用于设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，初始化模块，进一步用于获取单主多从遥操作机器人系统的动力学模型，获取所述动力学模型参数；根据所述动力学模型参数，定义主机器人和第i个从机器人的触发采样时刻，所述触发采样时刻通过时间序列表示；根据所述时间序列，为主机器人和第i个从机器人分别构建虚拟观测器。10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述初始化模块，进一步用于获取如下述公式(1)的单主多从遥操作机器人系统的动力学模型：
其中，下标m表示主机器人，下标si表示第i个从机器人，i＝1,...n；分别表示主/从机器人关节的位置、速度和加速度，m
m
(q
m
),m
si
(q
si
)∈r
n
×
n
是系统的正定惯性矩阵，表示系统的科里奥利力和离心力矩阵，g
m
(q
m
),g
si
(q
si
)∈r
n
表示系统的重力力矩，f
m
,f
si
分别表示操作者施加的外力和环境施加的外力，τ
m
,τ
si
∈r
n
是主机械臂和从机械臂各个关节的输入力矩。

技术总结
本发明提供一种单主多从遥操作机器人系统的自适应控制方法及系统，涉及遥操作机器人系统控制技术领域。包括：以单主多从遥操作机器人系统为对象，构建虚拟观测器；基于所述虚拟观测器，建立基于事件触发采样的TOD调度协议的数据传输模型；设计事件触发条件，同时基于机器人的同步变量设计自适应控制方案，并利用李雅普诺夫技术建立控制器参数、虚拟观测器的参数、通信延迟的上界以及最大允许的传输间隔与系统稳定性之间的关系，完成单主多从遥操作机器人系统的自适应控制。本发明可以减少通信通道中的数据交互，减少通讯负担，更大程度的节省资源，在带宽有限的情况下使得主从端之间进行更有必要的信息交互。间进行更有必要的信息交互。间进行更有必要的信息交互。


技术研发人员：李玉玲 李晨曦 董洁 王海娟
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/5