电液力反馈操纵杆及其双向伺服控制技术研究

力反馈操纵装置是实现主-从遥操作系统人机交互的输入输出设备,被广泛应用于具有力觉临场感的遥操作系统。力反馈操纵装置的研制及力反馈主-从遥操作系统控制理论和控制策略的研究,对于提高人机交互的性能具有重要的理论和现实意义。 本文结合国家自然科学基金项目“遥操纵6自由度液压并联机械手的力觉双向伺服控制”及教育部优秀青年教师资助计划项目“遥操纵工程机器人的新型力觉双向伺服控制”,围绕力反馈操纵装置及由其构成的主-从遥操作系统的控制技术进行了研究。 为研究力反馈操纵杆,本文首先研究了主-从遥操作机器人系统的控制理论和双向控制策略,基于主、从机器人系统两侧运动和力信息的不同融合方式,揭示了四通道、三通道、二通道双向控制策略之间的内在关系并进行了性能分析,为控制策略的选择和控制器的设计提供了参考。 本文首次在国内研制了基于电液伺服控制的2DOF力反馈操纵杆。对该装置进行了运动学和动力学分析,对其操纵性能进行了分析计算;建立了2DOF电液伺服力反馈操纵杆的数学模型,并分析了其动态特性。为抑制阀控马达电液力伺服系统的干扰,本文采用外扰观测器进行了控制补偿,以提高其控制精度;并采用反馈线性化方法进行了非线性最优控制仿真研究。 为检验新型电液伺服2DOF力反馈操纵杆的操作性能和不同控制策略的力觉临场感性能,本文采用两个2DOF力反馈操纵杆构成主-从机器人系统,分别在空载和弹性负载情况下,针对不同的控制策略进行了试验研究。试验结果表明,所研制的2DOF操纵杆具有响应速度快、控制刚度大、操纵方便、稳定等特点,有效地解决了现有电驱动力反馈操纵装置普遍存在的力反馈刚度小、力反馈效果不明显的问题。 本文所研制的2DOF电液力反馈操纵杆可以应用于有毒危险场合、深海资源和矿山资源开发等多种领域,诸如核反应废料的处理、深海锰结核和煤炭资源的开挖,其未来具有较广泛的应用前景。