【正文】 著遙操作機器人的誕生。特別是機器人與計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)的交叉，產(chǎn)生了基于 Inter 的機器人控制技術(shù)。 2020 年日本國家空間研究所 (NASDA)通過遙操作，對人造衛(wèi)星上的機器人進行了控制。 2020 年，美國在國際空間站的“命運”號實驗艙安裝了機器人 Robonaut2。 如今，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于 遙操作機器人，已經(jīng)成為遙操作機器人研究的焦點課題。 我國非常重視遙操作機器人技術(shù)的研究開發(fā)。 清華大學(xué)開發(fā)的基于視覺臨場感的機器人遙操作系統(tǒng)，既可以通過人機交互協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)對機器人的監(jiān)控遙操作，又允許機器人基于傳感器對高層控制規(guī)劃進行修正 [3]。因此，提 出一個系統(tǒng)模型對遙操作機器人功能的實現(xiàn)有著重要意義。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。這一模型更多應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人系統(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。系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)圖如 13 所示。 但是，經(jīng)典的采樣控制結(jié)構(gòu)有許多假設(shè)在遙操作機器人領(lǐng)域中不成立，因此采樣控制結(jié)構(gòu)還需要進一步探索新的模型體系，來適應(yīng)遙操作機器人的需求。 形式化模型 基于遙操作機器人的 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。 雙端口網(wǎng)絡(luò)模型將遙操作機器人系統(tǒng)等效成電路系統(tǒng)，運用雙端口電路模型為機器人建模，通過電路理論來分析遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)性能、控制方法等。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。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器人可能失去穩(wěn)定性 。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。 Lawrence 提出了“無緣距離”和“透明距離”等概念。因此，許多研 究者轉(zhuǎn)向了虛擬現(xiàn)實技術(shù)，他們將這項技術(shù)應(yīng)用于遙操作機器人的控制。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]。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。 第二章 介紹二端口網(wǎng)絡(luò)理論，基于二端口網(wǎng)絡(luò)建立遙操作機器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 第五章 運用 Matlab 軟件的 Simulink 工具包搭建遙操作機器人的系統(tǒng)模型，進行仿真模擬，驗證控制算法。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。二端口網(wǎng)絡(luò)的 H 參數(shù)矩陣表達(dá)式如下： ??????????????????????????????????21212221121121 UIHUIHH HHIU 遙操作機器人的體系結(jié)構(gòu) 1 139。 為了簡單，本文僅研究只有一個自由度的機器人。其中 F和 V都是時間 t的函數(shù)。 此外，對從端機器人采用 PI控制算法，可以得到從端機器人內(nèi)力 Fs的表達(dá)式： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。只要對 H 參數(shù)矩陣進行分析，就可以知曉這個二環(huán)境 通信環(huán)節(jié) 從端 主端 操作者 Vm + Fh Vm + Fmd Vsd + Fs + Fe Vs 第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 14 端口網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定。 ? 剛性元件 K：對應(yīng)著反饋或者環(huán)境剛性，輸入輸出關(guān)系如下： ?? dttvKF )( （ ） 它與圖 24（ b）對應(yīng)。在后面的分析中將看到，這個遙操作機器人的等效電路模型是不穩(wěn)定的，不能直接進行控制。二 端口網(wǎng)絡(luò)理論原本用于描述電路系統(tǒng)，但是遙操作機器人與電路有相似性，可以把它等效成一個電路系統(tǒng)。所以，接下來首先將對無源性理論進行介紹，然后對遙操作機器人進行穩(wěn)定性分析并指出它不穩(wěn)定原因，最后通過一定的設(shè)計改造使 系統(tǒng)重獲穩(wěn)定。下面給出無源性理論的相關(guān)定義和它的穩(wěn)定性判據(jù)： 定義 ： 對于如圖 21所示的獨立二端口網(wǎng)絡(luò)，如果它是無源的，那么當(dāng)且僅當(dāng)注入端口的電流 I（ t）和橫跨端口的電壓 U（ t）存在如下關(guān)系時成立： ?? ?0 0)()( dttItU （ ） 這個二端口網(wǎng)絡(luò)在初始條件下沒有能量存貯。從輸入輸出的角度來看，這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。 I3 I3 U3 B 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 17 為了更好地理解二端口網(wǎng)絡(luò)無源性的條件，再分析一下多個二端口網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的情況。運用散射算子可以非常方便地分析二端口網(wǎng)絡(luò)的無 源性。同時，無源的子系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)所組成的系統(tǒng) 仍然無源 [1]。首先分析一下沒有時延存在時的情況。考慮圖 23的模型，由于通信時延 T的存在，則有 Vsd（ t） =Vm（ tT），F(xiàn)md（ t） =Fs（ tT）。為此，學(xué)者們引入了波變量方法。如果從能量流動的角度來考慮通信環(huán)節(jié)，那么通信環(huán)節(jié)這個二端口的總功率為： sTsdmdTm FVFVP ?? rTrrTrlTllTl FFVVFFVV 21212121 ???? （ ） 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 20 這個等式后半部分中的 Ul、 Vl、 Ur、 Vr 就是所引入的波變量。這樣，通過引入波變量，就得到了一個具有無源傳輸線特性的通信環(huán)節(jié)。這種反射會影響遙操作機器人的控制效果。根據(jù)式（ ）和（ ）可以得到如下等式： rsrmllVFbFVbFV????2 （ ） 從公式（ ）可以看出，每當(dāng)波 Fl和 Vr到來時，都會有波 Vl 和 Fr反射回去。 Slotine 在論文中指出，用 b 表示附加阻抗，如果它滿足以下條件，那第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 22 么波反射將被完全消除： mdmm FbVV 1* ?? ， sdss bVFF ?? * （ ） 通過在通信環(huán)節(jié)外附加阻抗的方式來消除波的反射，加入阻抗匹配后的新通信環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 33 進行阻抗匹配后的通信環(huán)節(jié) 利用圖 33 所示的結(jié)構(gòu)，可以消除波反射的干擾，達(dá)到滿意的控制效果。所謂臨場感技術(shù)（ Telepresence）是指以人為中心，通過各種傳感器將遠(yuǎn)地機器人與環(huán)境的交互信息（包括視覺、力覺、觸覺、聽覺、運動覺等）實時地反饋給本地操作者（人），使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而實現(xiàn)對機器人帶感覺的控制，完成作業(yè)任務(wù) [21]。同時由于操作任務(wù)的復(fù)雜性，機器人尚不具備獨自處理和完成任務(wù)的智能，因此還需要操作Fs Fs* 波變量 b Fl Vl Vr Fr 波變量 通信環(huán)節(jié) Fmd Fmd* b1 Vm Vm* Vsd Vsd* 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 23 者的指導(dǎo)。在這里，具有這種特征的系統(tǒng)就被稱為具有“透明性”的遙操作機器人系統(tǒng) 。那么如果滿足式（ ），就可以說這個遙操作機器人系統(tǒng)是完全透明的。說明這個遙操作系統(tǒng)具有完全的透明性。 P 越小，則說明系統(tǒng)的透明性越好，當(dāng) P=0 時系統(tǒng)的透明性最好，處于完全的臨場感狀態(tài)。系統(tǒng)的透明性指標(biāo)可以表示為： )2s i n (12)()()(m a xm a x20022m a xm a xTWTWdwjwZdwjwZejwZPWeWesTh ?????? ? 從上式可以看出，存在通信時延時，遙操作機器人系統(tǒng)的透明性不僅和時間延遲的大小有關(guān)，而且還和系統(tǒng)的帶寬有關(guān)。穩(wěn)定性和透明性是一對矛盾著的對立統(tǒng)一的概念，只要過分強調(diào)了穩(wěn)定性，透明性必 然受到影響，同樣，如果過分強調(diào)透明性，系統(tǒng)的穩(wěn)定性又會變差。而造成整個系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，就在于通信環(huán)節(jié)的有源性。本章將在前 面分析的基礎(chǔ)上，對遙操作機器人進行總體控制設(shè)計。 PID 控制算法是在控制領(lǐng)域中經(jīng)常使用的一種算法，它由比例（ P）、積分（ I）以及微分（ D）三部分組成： （ 1） 比例（ P）控制器 比例控制是一種最簡單的控制規(guī)律，相應(yīng)的傳遞函數(shù)為： pKsG ?)( 式中， Kp稱為控制器的比例增益。 可以消除偏差是積分控制器的特點。因此積分環(huán)節(jié)通常不單獨使用，而要與其它環(huán)節(jié)配合使用。 在遙操作機器人系統(tǒng)中 ，由于時延的存在以及操作任務(wù)的實際特點，從端機器人的運動是比較緩慢的，對它的暫態(tài)特性沒有過高的要求，只要能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差就可以了?，F(xiàn)在將式（ ） — （ ）依次進行拉式變換，可以得到： mmmdhm BsMFFV ???1)( （ ） ssess BsMFFV ???1)( （ ） s KsPVVF ssssds ??? )( （ ） seeee VsKBsMF )( ??? （ ） 根據(jù)以上各式可以得到遙操作機器人系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，據(jù)此，可以得到遙操作機器人系統(tǒng)的總體控制框圖： mm BsM ?1D e l a y C o n t r o l l e rsKsP ss ?ss BsM ?1sKsBsM eee ??2M a s t e r D y n a m i c sF s C o n t r o l l e rS l a v e D y n a m i c sE n v i r o m e n t M o d e lF hV m V s dF sV sF eF sF m d 圖 41 遙操作機器人的控制框圖 圖中的通信環(huán)節(jié)可以使用經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié)： 圖 42 經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié) Fl Fr Vr Vl Fs Vsd Fmd Vm b1 b1 b b21 b2 b2 b21 b1 通信介質(zhì) 第四章 遙操作機器人的總體控制設(shè)計 29 當(dāng)然，為了獲得更好的控制效果，在這里采用經(jīng)過阻抗匹配后的波變量通信環(huán)節(jié)，這種通信環(huán)節(jié)是可以消除波反射的。最后，將這些變換后的模型組合成控制框圖，為下面的仿真做好準(zhǔn)備。這個模型被用來驗證波變量方法是否可以保證通信環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。圖 52和圖 53 分別顯示速度和力的跟蹤結(jié)果，從曲線的走勢來看，波變量被引入后，通信環(huán)節(jié)確實具有無源性，整個系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖 54就是一個更加真實的遙操作機器人仿真模型。但是仔細(xì)觀察波形，仍然可以發(fā)現(xiàn)，雖然系統(tǒng)對力和速度的趨勢可以做出穩(wěn)定的跟蹤，但是跟蹤效果不甚理想，有不小的波動，尤其是速度跟蹤結(jié)果的波動更大。 圖 56 速度跟蹤結(jié)果 消除了波反射的遙操作機器人仿真模型 在這本節(jié)中， 上一小節(jié)中的波變量環(huán)節(jié)將被改造，建立起一個消除了波反射的系統(tǒng)仿真模型，以獲得更好的控制效果。 給定正弦波發(fā)生器 10Hz 的頻率，結(jié)果如下： 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 34 圖 59 速度跟蹤結(jié)果（ 10Hz） 圖 58 力跟蹤結(jié)果（ 10Hz） 從跟蹤結(jié)果圖可以看出，整個系統(tǒng)在低頻率（ 10Hz）的情況下，可以對主端給定的速度和從端反饋的力進行穩(wěn)定的跟蹤，沒有波動，效果比較理想，達(dá)到了遙操作機器人的控制性能要求。 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 35 給定正弦波發(fā)生器 50Hz 的頻率，結(jié)果如下： 圖 59 速度跟蹤結(jié)果（ 50Hz） 圖 510 力跟蹤結(jié)果（ 50Hz） 總 結(jié) 36 總 結(jié) 遙 操作機器人系統(tǒng)是人類實現(xiàn)自身能力延伸的工具。因此，時延控制器的設(shè)計，是遙操作機器人研究的重點領(lǐng)域。遙操作機器人系統(tǒng)的時延主要產(chǎn)生于通信環(huán)節(jié)，由于本地操作者和遠(yuǎn)端機器人在空間上相距遙遠(yuǎn)，電磁波的傳輸速度有局限性，所以信號在通信環(huán)節(jié)會產(chǎn)生很大的時延。大時延破壞了通信環(huán)節(jié)的無源性，使通信 環(huán)節(jié)成為一個有源傳輸線，而通信環(huán)節(jié)的有源性就是造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的根本原因。 （ 3）運用 Matlab 仿真軟件對控制算法進行驗證