一种面向遥操作的多操作人员同步训练方法

摘要

本发明公开了一种面向遥操作的多操作人员同步训练方法，通过建立多操作同步训练方法的动力学模型，自适应训练准则，最后利用PD控制器设计主从手的控制力，即由多个操作者操作同构手控器同时对从端操作机构进行操控，通过主端多操作者之间的相互协调，自主调控自身操作作用力，从而达到共同的操作效果，并满足任务训练要求。本发明通过对多人进行同时训练，降低训练成本，提高训练效率；采用调节多个优势因子共享的操作模式，操作者对彼此的操作可以进行一定的限制和纠正；由于操作者在操作过程中可以自主调节自身操作作用力达到共同的控制效果，便于在操作过程中操作者交替操作，减小操作负担。

说明书

【技术领域】

本发明属于空间遥操作领域，涉及一种面向遥操作的多操作人员同步训练方 法。

【背景技术】

随着空间技术的发展，空间在轨维修装配技术成为目前研究的热点，目前的 空间维修大多依赖于航天员进行直接维修，这不仅维修效率低，而且严重影响航 天员的生命安全，采用空间机器人进行修补就成了目前空间维修急需突破的技 术，但是目前的空间机器人本身的智能程度不够，单凭空间机器人难以胜任复杂 的操作任务，所以采用空间遥操作的方式对对象进行修补就成为解决该问题的主 要途径。

目前的遥操作训练方式主要是采取单人训练，通过专家进行长时间指导才能 达到操作的程度，训练周期长，成本较高，并且单次只能对少数操作者进行训练， 并且不同操作者的训练效果不同，对于操作的效果具有较大的影响。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提出一种面向遥操作的多操作 人员同步训练方法，即由多个操作者操作同构手控器同时对从端操作机构进行操 控，通过主端多操作者之间的相互协调，自主调控自身操作作用力，从而达到共 同的操作效果，并满足任务训练要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种面向遥操作的多操作人员同步训练方法，包括以下步骤：

1)建立多操作同步训练方法的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{h1}={F_{h1}}^{*}-Z_{h1}{V}_{h1}\\ .\\ .\\ .\\ F_{hn}={F_{hn}}^{*}-Z_{hn}{V}_{hn}\\ F_e={F_e}^{*}+Z_e{V}_e\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，n表示操作者的数目；F_hi为操作者i对主机械臂i的作用力，i＝1,2,...,n； F_e为环境对从端的作用力；F_hi^*为操作者的实际控制力；F_e^*为环境作用力；Z_hi和 Z_e分别为操作者和环境的阻抗；V_hi和V_e分别为操作者和环境作用的速度变量；

在任务空间模型中，建立操作者和环境的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{m1}{V}_{h1}=F_{h1}+F_{cm1}\\ .\\ .\\ .\\ Z_{mn}{V}_{hn}=F_{hn}+F_{cmn}\\ Z_s{V}_e=-F_e+F_{cs}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，Z_mi:＝M_mis和Z_s:＝M_ss分别表示主手i和从手驱动力的质量模型阻抗，s 表示拉普拉斯算子，F_cmi和F_cs为主手i和从手的控制力；

2)自适应训练准则

令F_hi^*(t)表示t时刻主手i的操作者的实际控制力，则操作者控制力的自适应 训练准则为

F_hi^*(t)＝F_hi^*(t-1)+αr_i(t)

其中，r_i(t)表示操作者i肌肉的在t时刻的存储作用力，其表达式为：

r_i(t)＝r_ei(t)+r_ri(t)

其中，$r_{ei}\left(t\right)=K_i\left(e_i\right(t)+k_i{\stackrel{·}{e}}_i(t\left)\right)$表示肌肉的弹性力，$r_{ri}=G_i\left(e_i\right(t-\phi )+g_i{\stackrel{·}{e}}_i(t-\phi \left)\right)$表示 肌肉反射作用力，K_i和k_i表示弹性力参数，G_i和g_i表示反射作用力参数，e_i(t)表 示t时刻的操作者i的位置差，e_i(t)表示t时刻的操作者i的速度差，φ表示反射时 延；则e_i(t)和的表达式为：

$e_i\left(t\right)=x_{hi}\left(t\right)-x_{hid}\left(t\right),{\stackrel{·}{e}}_i\left(t\right)=v_{hi}\left(t\right)-v_{hid}\left(t\right)$

其中，x_hi(t)表示主手i的实际位置，x_hid(t)表示主手i的经过其他主手修正的 参考位置，v_hi(t)表示主手i的实际速度，v_hid(t)表示主手i的经过其他主手修正的参 考速度；

3)利用PD控制器设计主从手的控制力：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{cm1}=-C_{m1}{V}_{h1}+Z_{cm1}{V}_{h1d}-F_{h1d}\\ .\\ .\\ .\\ F_{cmn}=-C_{mn}{V}_{hn}+Z_{cmn}{V}_{hnd}-F_{hnd}\\ F_{cs}=-C_s{V}_e+Z_{cs}{V}_{ed}-F_{ed}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，C_mi:＝B_mi+K_mi/s和C_s:＝B_s+K_s/s表示主手i和从手的PD控制器参数， i＝1,2,...,n；Z_cmi:＝Z_mi+C_mi和V_ed:＝Z_s+C_s表示主手i和从手动力学阻抗；V_hid、和V_ed表 示主手i和从手的期望速度；F_hid、和F_ed表示主手i和从手的期望作用力；期望速 度和期望作用力的具体表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{h1d}={\alpha }_{12}{V}_{h2}+...+(1-\underset{j=2}{\overset{n-1}{\Sigma }}{\alpha }_{1j})V_{hn}\\ .\\ .\\ .\\ V_{hid}={\alpha }_{i1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1,j\ne i}{\overset{n-1}{\Sigma }}{\alpha }_{ij})V_{hn}\\ .\\ .\\ .\\ V_{hnd}={\alpha }_{i1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n-2}{\Sigma }}{\alpha }_{nj})V_{h(n-1)}\\ V_{ed}={\alpha }_{e1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_{ej})V_{hn}\end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}{F}_{hid}=F_e\\ F_{un}=Z_e{V}_{ed}={\alpha }_{e1}{Z}_e{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_{ej})Z_e{V}_{hn}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，α_ij.i,j＝1,2,...,n和α_ej.j＝1,2,...,n分别表示共享控制中主手和从手的优势因 子，通过设计PD控制器参数实现对主手操作者的同步训练。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明通过对多人进行同时训练，降低训练成本，提高训练效率；采用调节 多个优势因子共享的操作模式，操作者对彼此的操作可以进行一定的限制和纠 正；由于操作者在操作过程中可以自主调节自身操作作用力达到共同的控制效 果，便于在操作过程中操作者交替操作，减小操作负担。

【附图说明】

图1-a为本发明多优势因子双人共享控制下主手位置变化图；

图1-b为本发明多优势因子双人共享控制下主手速度变化图；

图2-a为本发明多优势因子双人共享控制下主手位置差变化图；

图2-b为本发明多优势因子双人共享控制下主手速度差变化图；

图3为本发明多优势因子双人共享控制主手作用力变化图；

图4-a为本发明多操作人员同步训练过程中主手位置变化图；

图4-b为本发明多操作人员同步训练过程中主手速度变化图；

图5-a为本发明多操作人员同步训练过程中主手位置差变化图；

图5-b为本发明多操作人员同步训练过程中主手速度差变化图；

图6为本发明多操作人员同步训练过程中主手作用力变化图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1至图6，本发明包括以下三个步骤

1、建立多操作同步训练方法的动力学模型：

$\left(\begin{array}{c}{F}_{h1}={F_{h1}}^{*}-Z_{h1}{V}_{h1}\\ .\\ .\\ .\\ F_{hn}={F_{hn}}^{*}-Z_{hn}{V}_{hn}\\ F_e={F_e}^{*}+Z_e{V}_e\end{array}\right)---\left(1\right)$

其中，n表示操作者的数目，F_hi,i＝1,2,...,n为操作者i对主机械臂i的作用力， F_e为环境对从端的作用力，F_hi^*为操作者的实际控制力，F_e^*为环境作用力，Z_hi和 Z_e分别为操作者和环境的阻抗，V_hi和V_e分别为操作者和环境作用的速度变量。

在任务空间模型中，建立操作者和环境的动力学模型

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{m1}{V}_{h1}=F_{h1}+F_{cm1}\\ .\\ .\\ .\\ Z_{mn}{V}_{hn}=F_{hn}+F_{cmn}\\ Z_s{V}_e=-F_e+F_{cs}\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，Z_mi:＝M_mis和Z_s:＝M_ss分别表示主手i和从手驱动力的质量模型阻抗，s 表示拉普拉斯算子，F_cmi和F_cs为主手i和从手的控制力，

2、自适应训练准则

令F_hi^*(t)表示t时刻主手i的操作者的实际控制力，则操作者控制力的自适应 训练准则为

F_hi^*(t)＝F_hi^*(t-1)+αr_i(t)

其中，r_i(t)表示操作者i肌肉的在t时刻的存储作用力，其表达式为

r_i(t)＝r_ei(t)+r_ri(t)

其中，$r_{ei}\left(t\right)=K_i\left(e_i\right(t)+k_i{\stackrel{·}{e}}_i(t\left)\right)$表示肌肉的弹性力，$r_{ri}=G_i\left(e_i\right(t-\phi )+g_i{\stackrel{·}{e}}_i(t-\phi \left)\right)$表示 肌肉反射作用力，K_i和k_i表示弹性力参数，G_i和g_i表示反射作用力参数，e_i(t)表 示t时刻的操作者i的位置差，e_i(t)表示t时刻的操作者i的速度差，φ表示反射时 延。e_i(t)和的表达式为：

$e_i\left(t\right)=x_{hi}\left(t\right)-x_{hid}\left(t\right),{\stackrel{·}{e}}_i\left(t\right)=v_{hi}\left(t\right)-v_{hid}\left(t\right)$

其中，x_hi(t)表示主手i的实际位置，x_hid(t)表示主手i的经过其他主手修正的 参考位置，v_hi(t)表示主手i的实际速度，v_hid(t)表示主手i的经过其他主手修正的参 考速度。

3、控制器设计

利用PD控制器设计主从手的控制力

$\left(\begin{array}{c}{F}_{cm1}=-C_{m1}{V}_{h1}+Z_{cm1}{V}_{h1d}-F_{h1d}\\ .\\ .\\ .\\ F_{cmn}=-C_{mn}{V}_{hn}+Z_{cmn}{V}_{hnd}-F_{hnd}\\ F_{cs}=-C_s{V}_e+Z_{cs}{V}_{ed}-F_{ed}\end{array}\right)---\left(3\right)$

其中，C_mi:＝B_mi+K_mi/s,i＝1,2,...,n和C_s:＝B_s+K_s/s表示主手i和从手的PD控制器 参数，Z_cmi:＝Z_mi+C_mi和V_ed:＝Z_s+C_s表示主手i和从手动力学阻抗，V_hid和V_ed表示主 手i和从手的期望速度，F_hid和F_ed表示主手i和从手的期望作用力，期望速度和期 望作用力的具体表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{h1d}={\alpha }_{12}{V}_{h2}+...+(1-\underset{j=2}{\overset{n-1}{\Sigma }}{\alpha }_{1j})V_{hn}\\ .\\ .\\ .\\ V_{hid}={\alpha }_{i1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1,j\ne i}{\overset{n-1}{\Sigma }}{\alpha }_{ij})V_{hn}\\ .\\ .\\ .\\ V_{hnd}={\alpha }_{i1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n-2}{\Sigma }}{\alpha }_{nj})V_{h(n-1)}\\ V_{ed}={\alpha }_{e1}{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_{ej})V_{hn}\end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}{F}_{hid}=F_e\\ F_{un}=Z_e{V}_{ed}={\alpha }_{e1}{Z}_e{V}_{h1}+...+(1-\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\alpha }_{ej})Z_e{V}_{hn}\end{array}\right)---\left(5\right)$

其中，α_ij.i,j＝1,2,...,n和α_ej.j＝1,2,...,n分别表示共享控制中主手和从手的优势因 子，通过选择合理的PD控制器参数和优势因子实现对多操作者的同步训练。取 M_m1＝M_m2＝1.5,B_m1＝B_m2＝2,K_m1＝K_m2＝10,M_h1＝1.5,M_h2＝2,B_h1＝2,B_h2＝4, K_h1＝2,K_h2＝4,M_e＝0.1,B_e＝1,K_e＝2，对双人操作情况下同步训练过程进行验证，取 优势因子分别为α₁＝0.9,α₂＝0.15,α₃＝0.1，两主手的初始作用力分别为 从手作用力分别为当采用多优势因子双人共享控制进 行操作训练时，由于受到控制阻抗的影响，由图1-图3可以看出虽然两主手的速 度会达到一致但是会始终存在位置差，在这过程中双主手施加的作用力恒为 10N。在多训练者同步训练中，取n＝2，即选取两名操作者，K_i＝0.01,k_i＝0.2, G_i＝0.01,g_i＝0.3,φ＝0.3，实验全部时长t＝0～30s，由图4-图5通过作用力的训 练变化，可以看出两主手的速度和位置最终达到一致，说明两主手达到相同的操 作效果，同时由图6可以看出两主手的作用力实现了同步调节。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡 是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发 明权利要求书的保护范围之内。