【正文】 套控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過科技工作者三十多年的艱苦奮斗，我國(guó)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。 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(gè)結(jié)構(gòu)龐大而松散的系統(tǒng)。它是為具有多個(gè)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。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(shí)，便產(chǎn)生了基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。離散事件部分包括對(duì)象的離散狀態(tài)、對(duì)混雜對(duì)象的事件驅(qū)動(dòng)、混雜對(duì)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(duì)象的輸入信號(hào)；連續(xù)動(dòng)態(tài)部分由機(jī)器人系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)力學(xué)方程描述。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(shí)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(shí)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。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。一般來說，連續(xù)時(shí)間過程一般用微分方程表示，離散時(shí)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(dòng)機(jī)或更一般的離散事件系統(tǒng)表示。由于電磁波的傳輸速度以及信號(hào)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(shí)延，而且往往較大，不能忽略。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）。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]。 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]。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。 基于事件的控制方法 如果遙操作系統(tǒng)的時(shí)延過大或者不可預(yù)測(cè)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，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程變?yōu)閷?shí)時(shí)過程，具有自適應(yīng)特性，可以得到優(yōu)良的控制效果。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(jiǎn)要介紹目前流行的遙操作機(jī)器人控制方法。 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。 流出的電流，這種電路稱為二端口網(wǎng)絡(luò) [18]。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。這里研究一個(gè)雙邊力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 如此，建立遙操作機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程如下： ○ 1 操作者與主端機(jī)器人相互作用的動(dòng)力學(xué)模型： mmmmmdh VBVMFF ??? ? （ ） ○ 2 從端機(jī)器人與工作環(huán)境相互 作用的動(dòng)力學(xué)模型： sssSes VBVMFF ??? ? （ ） ○ 3 工作環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型： dtVKVBVMF seSesee ???? ? （ ） vsd vm vm vs Fe Fs Fmd Fh 操作者 主端機(jī)器人 通信環(huán)節(jié) 從端機(jī)器人 工作環(huán)境 第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 13 以上就是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型。 Mm和 Ms分別是主從端機(jī)器人的質(zhì)量系數(shù)； Bm和 Bs分別是主從端機(jī)器人的慣性系數(shù)； Me、 Be和 Ke分別是工作環(huán)境的質(zhì)量、阻尼和彈性系數(shù)。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論，遙操作系統(tǒng)的每一個(gè)二端口子系統(tǒng)都可以用 H參數(shù)矩陣表征： ?????????????????????????? ? )( )()()( )()()( )()()( )( 21212221 121121 sF sVsHsF sVsHsH sHsHsV sF （ ） 方程（ ）是二端口網(wǎng)絡(luò) H 參數(shù)矩陣的拉氏變換形式，二端口網(wǎng)絡(luò)的特性只與其混合參數(shù)矩陣 H 有關(guān)。 圖 24 主要的無(wú)源元件 根據(jù)電路理論，圖 24 所畫電路元件都是無(wú)源的，對(duì)遙操作機(jī)器人建模時(shí)，也將利用這些無(wú)源元件： ? 慣性元件 M：對(duì)應(yīng)著主從端機(jī)器人的質(zhì)量，輸入輸出關(guān)系如下： )(MvdtdF? （ ） 它與圖 24（ a）對(duì)應(yīng)。 ? 線性二端口傳輸介質(zhì)：對(duì)應(yīng)這系統(tǒng)中有時(shí)滯的傳輸介質(zhì)，對(duì)應(yīng)圖 24（ e） 根據(jù)遙操作機(jī)器人 的動(dòng)力學(xué)模型和二端口網(wǎng)絡(luò)等效原理，可以畫出遙操作機(jī)第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 15 器人的等效電路模型： 圖 25 遙操作機(jī)器人的等效電路模型 其中， Zm和 Zs 分別是主從端機(jī)器人的等效阻抗， Zc表示從端控制器的等效阻抗， Ze表示環(huán)境阻抗。 本章小結(jié) 本章簡(jiǎn)要介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)理論。 Fh Zm 時(shí)延 Zs Zc Ze Fmd Fs Fe + + + + Vm Vsd Vs 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 16 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 無(wú)源性理論 本章將基于無(wú)源性理論來分析遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性。所以，無(wú)源性理論可以被用來分析遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果一個(gè)系統(tǒng)是無(wú)源的，那么這個(gè)系統(tǒng)只消耗能量而不產(chǎn)生能量。 I2 I2 U2 A 1 3 339。 定義 ： 散射算子 S： )()(22 ?? ? RLRL nn 定義為： ))()()(()()( sIsUsSsIsU ??? 在一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)中，散射矩陣可以用混合矩陣 H（ S）來表示： ???????? ????????????? ??????? ???????? ?? )( )()( )(10 01)()( )()( 212122 11 sU sIsI sUsIsU sIsU ????????????? ?? )()())((10 0121 sU sIIsH （ ） 同時(shí)： ????????????????????? ?? )( )()( )()()( )()( 212122 11 sU sIsI sUsIsU sIsU ???????? )()())((21 sU sIIsH （ ） 將（ ）和（ ）聯(lián)立，就可以得到： 1))()()((11 01)( ????????? ?? IsHIsHsS （ ） S就是二端口網(wǎng)絡(luò)的散射算子，式（ ）表明它可以用二端口網(wǎng)絡(luò)的混合參數(shù)矩陣 H（ s）表示。 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析 從無(wú)源性的角度角度來分析，只要系統(tǒng)具有無(wú)源性，那么這個(gè)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。 對(duì)于如圖 23所示的雙邊遙操作機(jī)器人而言，主從端機(jī)器人都是具有無(wú)源性的，因此它們都是穩(wěn)定的系統(tǒng)，不穩(wěn)定因素由通信環(huán)節(jié)的時(shí)延產(chǎn)生。 接下來考慮通信環(huán)節(jié)存在時(shí)延的情況，本文僅分析具有固定時(shí)延 T的遙操作機(jī)器人。 基于波變量的矯正方法 無(wú)源控制理論雖然可以分析遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性，并指出不穩(wěn)定的原因，但是還沒有直接給出保證系統(tǒng)無(wú)源的方法。所謂波變量，就是在通信環(huán)節(jié)的兩端分別加入一些相互關(guān)聯(lián)的阻抗模塊，構(gòu)成波變量控制器。對(duì)于這個(gè)新的通信模塊，可以得出它 H 參數(shù)二端口模型： ?????????????? ????????? )( )()t a n h (1)(s e c )(s e c)t a n h ()( )( sF sVsTbsTh sThsTbsV sF smsdmd （ ） 因此有 ???????? ??)t a n h (1)(s e c)(s e c)t a n h ()(sTbsThsThsTbsH Fl Fr Vr Vl Fs Vsd Fmd Vm b1 b1 b b21 b2 b2 b21 b1 通信介質(zhì) 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 21 根據(jù)定義 有 1))()()((11 01)( ????????? ?? IsHIsHsS ?????? ????00)( sTsTe esS （ ） 因此有 1|||| ?S ，根據(jù)定理 ，改造后的通信環(huán)節(jié)是無(wú)源的。與之類似，使用波 變量方法控制遙操作機(jī)器人時(shí)，在主端和從端，同樣會(huì)發(fā)生波反射 [20]。由于波變量控制器將速度和力信號(hào)聯(lián)系在了一起，也就是說波變量控制器把前向通道和反饋通道聯(lián)系在了一起，所以這里產(chǎn)生了波反射現(xiàn)象。本文采用在波變量控制器外附加阻抗的方式，附加的阻抗應(yīng)該直接與系統(tǒng)中的力信號(hào)和速度信號(hào)相關(guān)聯(lián)。 透明性是指遙操作機(jī)器人系統(tǒng)具有臨場(chǎng)感。 遙操作機(jī)器人主要用于危險(xiǎn)、惡 劣或者人類無(wú)法到達(dá)的環(huán)境中。如果從端機(jī)器人的力感知信息經(jīng)過通信時(shí)延傳遞給主端操作者后，操作者能夠感覺到從端受力的真實(shí)情況（即操作者具有臨場(chǎng)感），那么操作者就可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地處理從端機(jī)器人的操作任務(wù)。 下面給出透明性的具體定義： 結(jié)合遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)模型和動(dòng)力學(xué)模型，做如下定義： 操作者感知到的阻抗： )( )(sV sFZ mhh ? （ ） 環(huán)境阻抗： )( )(sV sFZ see ? （ ） 定義 [23]：假設(shè)在頻域中，操作者“感知”的阻抗可以被定義為式（ ）形式。如果從端能夠在速度和位置上對(duì)主端實(shí)現(xiàn)完全跟蹤（即 Vs=Vm,Xs=Xm），那么由 Zh=Ze就能得出 Fh=Fe。由此，可以給出遙操作機(jī)器人系統(tǒng)透第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 24 明性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo) [24]： ?? ??m a xm a x0202)()()(WeWehdwjwZdwjwZjwZP )0( ?hZ （ ） dwjwZP W h 200 m a x )(?? )0( ?eZ （ ） 其中 Wmax是系統(tǒng)的最大工作帶寬。 wTwMwTjw MjwZ eeh ?? )2s in ()2s in ()2c o s ( wTwKwTjBwTB eee ??? )2cos( wTjwKe? 可以看出，通信時(shí)延造成了環(huán)境阻抗傳遞過程中質(zhì)量、阻尼和剛度的嚴(yán)重非線性失真。穩(wěn)定性保證了系統(tǒng)是可控制的，透明性描述了系統(tǒng)操作性能的好壞。由于時(shí)延的存在，通信環(huán)節(jié)原本的無(wú)源性被改變，成為一個(gè)有源傳輸線。 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 26 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 在前面的章節(jié)中，已經(jīng)分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型、動(dòng)力學(xué)模型，為遙操作機(jī)器人系統(tǒng)建立了基于二端口網(wǎng)絡(luò)的等效模型，又運(yùn)用無(wú)源性理論分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指出系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因在于通信環(huán)節(jié)的有源性，它由通信環(huán)節(jié)的時(shí)延產(chǎn)生，最后又給出了改造通信環(huán)節(jié)使其重新成為無(wú)源傳輸線的辦法。 對(duì)從端機(jī)器人，我們采用 PID 算法進(jìn)行控制。相應(yīng)的比例控第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 27 制器時(shí)域中的輸入輸出關(guān)系為： ??? tip dteKteKtu 0 )()()( ? 將上式進(jìn)行拉式變換則可得，比例積分控制器的傳遞函數(shù)為： )11()( )()( sTKsG sUsG ip ??? 式中， Ti稱作積分常數(shù)，它的倒數(shù) 1/Ti稱為積分速度。它的控制作用是隨時(shí)間逐步積累的，動(dòng)作比較遲緩，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性不利。 微分控制能在偏差信號(hào)出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢(shì)產(chǎn)生超前的“預(yù)見”調(diào)節(jié)作用，以加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 28 遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu) 有了遙操作機(jī)器人各部分的數(shù)學(xué)模型后，就可以著手設(shè)計(jì)系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在控制器的設(shè)計(jì)上，采用 PI 控制；