【正文】 ，操作者可以通過 Web 方式遠(yuǎn)程訪問遙操作機(jī)器人，運(yùn)用數(shù)據(jù)手套控制機(jī)器人運(yùn)動。 我國非常重視遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)。 1986 年，我國制定了國家高技術(shù)發(fā) 展計(jì)劃，即 863 計(jì)劃。智能機(jī)器人主題作為自動化領(lǐng)域的一個項(xiàng)目被列入863 劃，從此，我國開始了對遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究。經(jīng)過科技工作者三十多年的艱苦奮斗，我國的遙操作機(jī)器人技術(shù)從跟蹤世界先進(jìn)水平起步，已經(jīng)發(fā)展到實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主地創(chuàng)新研發(fā)，在空間、海洋、教學(xué)等領(lǐng)域都取得了廣泛的研究成果。 清華大學(xué)開發(fā)的基于視覺臨場感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，既可以通過人機(jī)交互協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的監(jiān)控遙操作，又允許機(jī)器人基于傳感器對高層控制規(guī)劃進(jìn)行修正 [3]。 中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構(gòu)的監(jiān)控遙操作系統(tǒng) [4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā) 了空間機(jī)器人共享系統(tǒng) [5]，北京航空航天大學(xué)開發(fā)了基于 Inter 的遙操作系統(tǒng) [6]，南開大學(xué)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的主從式遙操作平臺 [7]，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng) [8]，國防科技大學(xué)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的監(jiān)控式大時延機(jī)器人系統(tǒng) [9]，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人實(shí)時跟蹤系統(tǒng) [10]，東南大學(xué)開發(fā)了力覺臨場感遙操作系統(tǒng) [11]。這些成就說明了我國在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域取得的進(jìn)展。 遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 遙操作機(jī)器人事實(shí)上是一個結(jié)構(gòu)龐大而松散的系統(tǒng)。因此，提 出一個系統(tǒng)模型對遙操作機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。目前比較有代表性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型有： NASREM 遙操作控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、基于 Agent 的結(jié)構(gòu)模型、混雜控制結(jié)構(gòu)模型、采樣控制結(jié)構(gòu)模型等。 第一章 緒論 4 NASREM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 該模型由美國國家宇航局（ NASA）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ NIST）在 1987 年聯(lián)合公布。它是為具有多個機(jī)器人的航天器復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)的，是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)模型的典型代表。這一系統(tǒng)模型具有三個模塊，每個模塊分六個層次，具體結(jié)構(gòu)如圖 11： 圖 11 NASREM 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 如圖 11 所示：在三個模塊中， H 模塊是任務(wù)分解模塊， M 模塊是環(huán)境狀態(tài)建模模塊， G 模塊是傳感器處理模塊。這些模塊有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一個完整的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 Sense Action Global Memory Maps Object Lists Variables Evaluation Program Files Operator Interface G6 M6 H6 G5 M5 H5 G4 M4 H4 G3 M3 H3 G2 M2 H2 G1 M1 H1 Goal 第一章 緒論 5 基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 Agent 技術(shù)來自于人工智能技術(shù)的發(fā)展，以往應(yīng)用在智能機(jī)器人中。當(dāng)人們把這一技術(shù)運(yùn)用于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)時，便產(chǎn)生了基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。這一模型更多應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，它由五層體系組成，分別是：交互層，主控層，網(wǎng)絡(luò)層，從端控制層，物理層。如圖 12所示：交 互層實(shí)現(xiàn) 操作者和 Agent 之間的交互；主控層對交互層傳來的信息進(jìn)行融合決策、規(guī)劃、分解，然后產(chǎn)生對從端機(jī)器人的控制命令；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸；從端控制層根據(jù)主端命令完成完成任務(wù)；物理層是機(jī)器人系統(tǒng)與外部環(huán)境。 圖 12 基于 Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型由離散事件、接口和連續(xù)動態(tài)三部分組成。離散事件部分包括對象的離散狀態(tài)、對混雜對象的事件驅(qū)動、混雜對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)等；接交互層 主控層 網(wǎng)絡(luò)層 從端控制層 物理層 交互 Agent 主控 Agent 機(jī)器人系統(tǒng) n 從端 Agent n 從端 Agent2 機(jī)器人系統(tǒng) 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 從端 Agent1 機(jī)器人系統(tǒng) 1 操作者 其它 Agent 第一章 緒論 6 口部分的事件生成器將連續(xù)變量轉(zhuǎn)化 為離散變量，執(zhí)行器將離散變量轉(zhuǎn)換為受控對象的輸入信號；連續(xù)動態(tài)部分由機(jī)器人系統(tǒng)的連續(xù)動力學(xué)方程描述。系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)圖如 13 所示。 圖 13 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 采樣控制模型 圖 14 采樣控制模型 第一章 緒論 7 采樣控制模型是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人。如圖 14 所示，該模型由命令層（主要包括命令發(fā)生器）、本地控制層（主要包括本地控制器）、網(wǎng)絡(luò)層（主從端的雙向通訊）、遠(yuǎn)端控制層（主要包括遠(yuǎn)程控制器）和物理層（機(jī)器人系統(tǒng)）組成。在本地，命令產(chǎn)生器將命令傳送給本地控制器 ，本地控制器以時鐘 Clock1 為周期，采樣命令產(chǎn)生器產(chǎn)生的命令和通過網(wǎng)絡(luò)傳送來的遠(yuǎn)程機(jī)器人的狀態(tài)，生成控制命令并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制器；遠(yuǎn)程控制器以時鐘 Clock2 為周期，采樣本地控制器的控制命令并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)給本地控制器。 但是，經(jīng)典的采樣控制結(jié)構(gòu)有許多假設(shè)在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域中不成立，因此采樣控制結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步探索新的模型體系，來適應(yīng)遙操作機(jī)器人的需求。 遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型 遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上建立起來的。有了遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，我們就可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定 性、動態(tài)性能，研究建立遙操作機(jī)器人的控制方法，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。目前 比較有代表性的數(shù)學(xué)模型有：形式化模型、混雜系統(tǒng)模型、雙端口網(wǎng)絡(luò)模型、采樣系統(tǒng)模型等。 形式化模型 基于遙操作機(jī)器人的 Agent 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型建立，該模型一般由通信模塊、知識庫模塊、過程處理模塊、感知模塊、效應(yīng)器模塊組成。 混雜系統(tǒng)模型通常應(yīng)用于連續(xù)信號（如運(yùn)動、力等）和離散信號（如狀態(tài)邏輯切換等）同時存在的網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)中。到目前為止，這一系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般來說，連續(xù)時間過程一般用微分方程表示，離散時間過程一般用差分方程表示，而邏輯或 決策過程則用有限自動機(jī)或更一般的離散事件系統(tǒng)表示。 雙端口網(wǎng)絡(luò)模型將遙操作機(jī)器人系統(tǒng)等效成電路系統(tǒng)，運(yùn)用雙端口電路模型為機(jī)器人建模，通過電路理論來分析遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、控制方法等。 采樣系統(tǒng)模型為遙操作機(jī)器人建立一個離散的采樣模型，使用離散的控制方法來分析研究系統(tǒng)的各方面性能。 第一章 緒論 8 遙操作機(jī)器人的時延控制 在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，主端和從端相距遙遠(yuǎn)，二者依靠通信環(huán)節(jié)進(jìn)行信息傳輸。由于電磁波的傳輸速度以及信號收發(fā)處理等方面的局限性，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)存在時延，而且往往較大，不能忽略。比如， 在空間遙操作領(lǐng)域，天地時延平均小于 3 秒，延遲時間在 5 秒以內(nèi)的概率大于 95%，平均抖動在 至 之間。除了距離的原因會造成時延外，大容量信息的壓縮 /復(fù)現(xiàn)、編碼 /解碼及信息載波傳輸帶寬的限度都會造成時延。這些時延會給遙操作系統(tǒng)的“知覺”感受和操作性能帶來極大影響 [12]。為了提高操作性能，人們逐漸向系統(tǒng)中增加以力反饋為主的信息反饋，最后形成了雙向力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)（ bilateral teleoperation）。然而，由于存在較大的時延，原本穩(wěn)定的雙向力反饋遙操作機(jī)器人可能失去穩(wěn)定性 。因此，遙操作機(jī)器人控制方法研究的核心問題，就是如何克服時延對系統(tǒng)性能的影響。 下面對目前流行的幾種遙操作機(jī)器人時延控制方法進(jìn)行簡要介紹： 基于電路理論的無源控制方法 這種方法由 Raju在 1989年首先提出。他將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行類比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng) [13]。通過分析發(fā)現(xiàn)，通信時延造成了信號傳輸線的有源性，這就是導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因。只有改造主從端之間的通信環(huán)節(jié)，使其具有無源傳輸線特性，才能從根本上確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谶@種方法，學(xué)者們提出的控制方法主要有散射方法和波變量方法 。 基于現(xiàn)代控制理論的方法 加拿大多倫多大學(xué)的 Strassberg和 Goldembeng等人利用現(xiàn)代控制理論中的李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)分析遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [14]。 Lawrence 提出了“無緣距離”和“透明距離”等概念。 Leung 和 Francis 等人利用這些概念的綜合評價法設(shè)計(jì)遙操作系統(tǒng) [15]。 第一章 緒論 9 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的控制方法 基于電路的理論，在長時延的情況下，不能在保證穩(wěn)定性的同時又具有良好的操作性。而現(xiàn)代控制理論又不甚完善，這使基于現(xiàn)代控制理論的方法有很多問題不能解決。因此，許多研 究者轉(zhuǎn)向了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，他們將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于遙操作機(jī)器人的控制。 借助各種傳感設(shè)備，操作者“進(jìn)入”到計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的遠(yuǎn)端環(huán)境中 , 這樣操作者能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，非常自然地操縱遠(yuǎn)端機(jī)器人。這種方法在克服了時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的同時，具備很好的操作性能。 基于事件的控制方法 如果遙操作系統(tǒng)的時延過大或者不可預(yù)測地隨即產(chǎn)生，那么傳統(tǒng)控制方法很難達(dá)到預(yù)期控制效果。因此，中科院沈陽自動化研究所的席寧等人提出了基于事件的控制方法 [16][17]。與傳統(tǒng)的以時間為參變量的方法不同，這種方法引入一個隨控制過程的進(jìn) 行而實(shí)時更新的參變量。系統(tǒng)的理想輸出是此參量的函數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)的目標(biāo)輸出值被規(guī)劃器實(shí)時修正。因此，系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)劃過程變?yōu)閷?shí)時過程，具有自適應(yīng)特性，可以得到優(yōu)良的控制效果。時間對整個控制過程的影響在這里被巧妙地回避，該方法可以應(yīng)用于具有不確定時延的遙操作系統(tǒng)中。 本文主要研究內(nèi)容 通過對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的介紹，本文闡述了設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人時延控制器的原因。本文將建立一個基于二端口網(wǎng)絡(luò)的遙操作機(jī)器人模型，運(yùn)用波變量的方法來保證系統(tǒng)傳輸環(huán)節(jié)的無源性，進(jìn)而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文的主要工作如下： 第一章 主要敘述遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究背景和研究意義，講述遙操作機(jī)器人的發(fā)展歷程，簡要介紹目前流行的遙操作機(jī)器人控制方法。 第二章 介紹二端口網(wǎng)絡(luò)理論，基于二端口網(wǎng)絡(luò)建立遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 第三章 介紹無源控制理論，在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)二端口網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，首先運(yùn)用無源性方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，然后再運(yùn)用波變量方法對系統(tǒng)進(jìn)第一章 緒論 10 行無源化矯正。介紹透明性概念，用于描述遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制效果。 第四章 在前面各章分析和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)，建立框圖模型，為仿真模擬做準(zhǔn)備。 第五章 運(yùn)用 Matlab 軟件的 Simulink 工具包搭建遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證控制算法。 第二章 遙操作機(jī)器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 11 第二章 遙操作機(jī)器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型 二端口網(wǎng)絡(luò)理論 圖 21 二端口網(wǎng)絡(luò) 如圖 21 所示，如果有兩對端子滿足端口條件，即對于所有時間 t，從端子1 流入方框的電流等于從端子 139。 流出的電流；同時，從端子 2 流入方框的電流等于從端子 239。 流出的電流，這種電路稱為二端口網(wǎng)絡(luò) [18]。用二端口概念分析電路時，只需考慮二端口處電流、電壓之間的關(guān)系，這種關(guān)系可以通過一些參數(shù)表示，而決定這些參數(shù)的只有二端口本身的組成元件及它 們的連接方式。如果確定了表征這個二端口的參數(shù)，那么當(dāng)一個端口的電壓或者電流發(fā)生變化時，就可以非常容易地找出另一個端口上的電壓和電流。 二端口的參數(shù)可以用四種矩陣表征，分別為 Z、 Y、 H 和 T，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。在遙操作機(jī)器人的研究中，經(jīng)常使用二端口網(wǎng)絡(luò)的 H 參數(shù)（即二端口的混合參數(shù)）來表征機(jī)器人模型的特性。二端口網(wǎng)絡(luò)的 H 參數(shù)矩陣表達(dá)式如下： ??????????????????????????????????21212221121121 UIHUIHH HHIU 遙操作機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 1 139。 2 239。 I1 I2 I2 U1 U2 I1 第二章 遙操作機(jī)器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 12 圖 22 遙操作機(jī)器人體系結(jié)構(gòu) 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)由操作者、主端機(jī)器人、通信環(huán)節(jié)、從端機(jī)器人和工作環(huán)境組成。這里研究一個雙邊力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 為了簡單，本文僅研究只有一個自由度的機(jī)器人?？梢缘玫饺鐖D 22 所示的體系結(jié)構(gòu)框圖。 為了建立遙操作機(jī)器人各個環(huán)節(jié)的動力學(xué)模型，作出如下假設(shè)： 假設(shè) 1：從端機(jī)器人與工作環(huán)境中的物體接觸且該物體沒有發(fā)生形變時的位移為零； 假設(shè) 2：從端機(jī)器人的質(zhì)量包含工作環(huán)境中所接觸物體的質(zhì)量； 假設(shè) 3：操作者對主端機(jī)器人施加的力 與主端機(jī)器人本身的動態(tài)特性無關(guān)； 假設(shè) 4：只考慮從端機(jī)器人與工作環(huán)境中所接觸物體相接觸的動態(tài)特性。 如此，建立遙操作機(jī)器人系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動力學(xué)方程如下： ○ 1 操作者與主端機(jī)器人相互作用的動力學(xué)模型： mmmmmdh VBVMFF ??? ? （ ） ○