【正文】 （ 3）運用 Matlab 仿真軟件對控制算法進行驗證。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端機器人在空間上相距遙遠，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。 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。 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。圖 54就是一個更加真實的遙操作機器人仿真模型。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。現(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。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。 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。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。系統(tǒng)的透明性指標可以表示為： )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)。說明這個遙操作系統(tǒng)具有完全的透明性。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) 。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]。根據(jù)式（ ）和（ ）可以得到如下等式： rsrmllVFbFVbFV????2 （ ） 從公式（ ）可以看出，每當波 Fl和 Vr到來時，都會有波 Vl 和 Fr反射回去。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)。為此，學(xué)者們引入了波變量方法。首先分析一下沒有時延存在時的情況。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。從輸入輸出的角度來看，這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。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。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。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。其中 F和 V都是時間 t的函數(shù)。二端口網(wǎng)絡(luò)的 H 參數(shù)矩陣表達式如下： ??????????????????????????????????21212221121121 UIHUIHH HHIU 遙操作機器人的體系結(jié)構(gòu) 1 139。 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。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。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。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。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。 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。系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)圖如 13 所示。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。 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]。 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。 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。這標志著遙操作機器人的誕生。因此，遙操作技術(shù)應(yīng)運而生。從端和環(huán)境的相關(guān)信息則經(jīng)由上述環(huán)節(jié)返還到操作者，使操作者有身臨其境的感覺，從而有效完成操作任務(wù)。首先，簡要介紹了遙操作機器人的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)理論，并為遙操作機器人建立了二端口網(wǎng)絡(luò)模型。遙操作機器人是機器人學(xué)與通信技術(shù)、控制理論等融合的產(chǎn)物。s more, using wave variable method of the passive control theory, control algorithm off teleoperation is designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm. Keywords: robotics teleoperation twoport work passive control目 錄 III 目 錄 第一章 緒論 ............................................. 1 遙操作機器人的意義 ............................... 1 遙操作機器人的發(fā)展 ............................... 2 遙操作機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ........................ 3 NASREM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 .......................... 4 基于 Agent 的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 .................... 5 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ............................ 5 采樣控制模型 ................................ 6 遙操作機器人的數(shù)學(xué)模型 ........................... 7 遙操作機器人的時延控制 ........................... 8 基于電路理論的無源控制方法 .................. 8 基于現(xiàn)代控制理論的方法 ...................... 8 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的控制方法 .................. 9 基于事件的控制方法 .......................... 9 本文主要研究內(nèi)容 ................................. 9 第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型 ............... 11 二端口網(wǎng)絡(luò)理論 .................................. 11 遙操作機器人的體系結(jié)構(gòu) .......................... 11 遙操作機器人系統(tǒng)等效成二端口網(wǎng)絡(luò) ................. 13 本章小結(jié) ........................................ 15 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 ................... 16 無源性理論 ...................................... 16 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析 ........................ 18 基于波變量的矯正方法 ............................ 19 阻抗匹配 ........................................ 21 透明性問題 ...................................... 22 透明性的定義 ............................... 22 時延對透明性的影響 ......................... 23 本章小結(jié) ........................................ 25 第四章 遙操作機器人的總體控制設(shè)計 ....................... 26 遙操作機器人的控制器設(shè)計 ........................ 26 遙操作機器人的總體控制結(jié)構(gòu) ....................... 28 本章小結(jié) ........................................ 29 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 ..................................... 30 對波變量方法的驗證 .............................. 30 目 錄 IV 更加真實的遙操作機器人仿真模型 ................... 31 消除了波反射的遙操作機器人仿真模型 ............... 33 總 結(jié) ................................................. 36 參 考 文 獻 ............................................ 37 致 謝 ................................................. 39 第一章 緒論 1 第一章 緒論 遙操作機器人的意義 遙操作機器人 (Teleoperation)是一種完成比較復(fù)雜操作的遠距離操作系統(tǒng)。比如， 在空間和深海環(huán)境進行探索時，受目前技術(shù)條件的限制，人類還不能輕易到達；在高空、核及生化環(huán)境開展作業(yè)時，由于這些環(huán)境有害人體健康，人類不能直接進入；在煤礦、建設(shè)以及軍事戰(zhàn)場等惡劣環(huán)境中，隨時會有危險發(fā)生，人類應(yīng)盡量減少在這些環(huán)境中的存在。也就是說，“遙科學(xué)”事實上只是一種技術(shù)應(yīng)有，是一種基于特殊操作模式的技術(shù)應(yīng)用。這一技術(shù)的深入發(fā)展給遙操作機器人的研究注入了嶄新的活力。它能夠以 2m/s 的速度移動手臂，單臂可以在有重力條件下以任何姿態(tài)承擔(dān) 20 磅負載。 1986 年，我國制定了國家高技術(shù)發(fā)