基于Lyapunov稳定性的主从机械臂随机时延补偿控制：从MATLAB仿真到ROS实体验证

张开发
• 2026/4/15 3:22:11 • 15 分钟阅读

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基于Lyapunov稳定性的主从机械臂随机时延补偿控制：从MATLAB仿真到ROS实体验证
基于Lyapunov稳定性的主从机械臂随机时延补偿控制：从MATLAB仿真到ROS实体验证摘要针对遥操作系统中0-2s随机时延导致的主从不同步与稳定性下降问题，本文提出了一套完整的“MATLAB仿真+ROS实体”双平台解决方案。首先，采用拉格朗日方程建立二自由度主从机械臂的动力学模型，并构建基于均匀分布的0-2s随机时延模型。其次，基于Lyapunov直接法推导系统稳定性判据，确定时延上界。再次，设计融合位置跟踪误差、速度阻尼项和时延补偿项的鲁棒控制算法，通过参数优化实现渐近稳定。最后，搭建MATLAB/Simulink仿真平台开展3组时延工况对比实验，并在ROS环境中完成算法移植与实体机械臂验证。仿真与实验结果表明，所提算法在0-2s时延范围内能保证系统稳定，位置跟踪误差控制在±0.02 rad以内，抗干扰能力显著优于传统PID控制。关键词：主从控制；随机时延；Lyapunov稳定性；滑模控制；ROS；遥操作1. 引言1.1 研究背景与意义随着机器人技术在核废料处理、深海勘探、微创手术等极端环境中的广泛应用，遥操作机器人系统已成为人机交互领域的研究热点。在典型的力反馈遥操作系统中，操作者通过主机械手发出运动指令，从机械手在远端环境中执行任务。然而，通信网络中的随机时延——尤其当延迟达到秒级时——会严重破坏系统的同步性能，甚至导致闭环失稳。0-2s的随机时延覆盖了从局域网（10ms）到跨洋卫星通信（约500ms

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