【正文】 展計(jì)劃，即 863 計(jì)劃。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。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(duì)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(duì)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。 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。 采樣系統(tǒng)模型為遙操作機(jī)器人建立一個(gè)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。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(shí)延對(duì)系統(tǒng)性能的影響。 Leung 和 Francis 等人利用這些概念的綜合評(píng)價(jià)法設(shè)計(jì)遙操作系統(tǒng) [15]。與傳統(tǒng)的以時(shí)間為參變量的方法不同，這種方法引入一個(gè)隨控制過程的進(jìn) 行而實(shí)時(shí)更新的參變量。 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(duì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)第一章 緒論 10 行無源化矯正。如果確定了表征這個(gè)二端口的參數(shù)，那么當(dāng)一個(gè)端口的電壓或者電流發(fā)生變化時(shí)，就可以非常容易地找出另一個(gè)端口上的電壓和電流?？梢缘玫饺鐖D 22 所示的體系結(jié)構(gòu)框圖。 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)等效成二端口網(wǎng)絡(luò) 圖 23 遙操作機(jī)器人的等效二端口網(wǎng)絡(luò) 美國學(xué)者 Anderson 和 Spong 指出，將遙操作機(jī)器人系統(tǒng)與機(jī)械和電力系統(tǒng)類比，就可以把遙操作系統(tǒng)看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò) [19]。 ? 阻尼元件 B：對(duì)應(yīng)速度反饋或者粘滯摩擦，輸入輸出關(guān)系如下： BvF? （ ） 它與圖 24（ c）對(duì)應(yīng)。這樣，遙操作機(jī)器人中的力和速度就可以轉(zhuǎn)化為電壓和電流，主從端以及環(huán)境都可以轉(zhuǎn)化為電路系統(tǒng)中的阻抗。 式（ ）表明這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)只消耗能量，不增加能量。如圖 31所示，兩個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)在一起。因此，利用無源性理論來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就是要分析組成整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)是否無源。進(jìn)行拉式變換后，將其表示成混合矩陣的形式有： ????????????????????? ? ? )( )(00)( )( sF sVe esV sF smsT sTsdmd （ ） 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 19 ???????? ? ?00)( sT sTe esH （ ） 根據(jù)定義 ，散射算子 S 的形式如下： 1))()()((10 01)( ????????? ?? IsHIsHsS 1111110 01????? ????????????? ?? ??????? ??sTsTsTsTe ee e ???????? )t a nh()(s e c )(s e c)t a nh( sTsTh sThsT （ ） 根據(jù)定理 ： ???????? ?????? ??????? ?? )t a n ()s e c ( )s e c ()t a n ()t a n ()s e c ( )s e c ()t a n (s u p 2/1 TjT TTjTjT TTjS ?? ???? ???? ???????? ?????? ?? ?? )(s ec)(t a n)s ec ()t a n (2 )s ec ()t a n (2)(s ec)(t a ns u p 22222/1 TTTTj TTjTT ???? ?????? 也即： ???? ))s e c ()ta n ((s u p TTS ??? 。經(jīng)過矯正后通信環(huán) 節(jié)的結(jié)構(gòu)框圖如下所示： 圖 32 引入波變量控制器后的通信環(huán)節(jié) 引入的波變量用等式的形式可以表示如下： )(21)(21)(21)(21sdsrmmdlsdsrmmdlbVFbFbVFbFbVFbVbVFbV???????? （ ） 因此，圖 32 整體所表示的就是一個(gè)新的通信環(huán)節(jié)，這個(gè)通信環(huán)節(jié)不僅僅發(fā)生信號(hào)的延時(shí)，經(jīng)過延時(shí)之后的信號(hào)還要經(jīng)過一次改造，以保證系統(tǒng)的無源性。為了避免反射對(duì)控制效果產(chǎn)生的不利影響，需要想辦法消除這種反射。 透明性問題 透明性的定義 對(duì)于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)而言，除了要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性之外，還要使系統(tǒng)具有良好的操作性。操作者的操縱質(zhì)量與對(duì)遠(yuǎn)地環(huán)境力覺信息的獲取能力密切相關(guān)。 eh ZZ? （ ） 這就說明，在一個(gè)透明的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，操作者能夠在主端獲得從端與環(huán)境直接作用的力感覺信息。 當(dāng)通訊環(huán)節(jié)存在時(shí)間延時(shí) T 時(shí) ，操作者感知到的阻抗可表示為： TseTsmdTssmmdh eZeV eFVFZ 239。所以在遙操作機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，需要要綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性的要求，設(shè)計(jì)出合理適中的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 遙操作機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì) 根據(jù)遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程（ ） — （ ），重寫如下： mmmmmdh VBVMFF ??? ? （ ） sssSes VBVMFF ??? ? （ ） dtVKVBVMF seSesee ???? ? （ ） 這三個(gè)方程分別是遙操作機(jī)器人主端、從端以及環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型。只要有偏差，控制器輸出就不斷地變化；偏差存在的時(shí)間越長，輸出的變換量就越大；當(dāng)輸入偏差信號(hào)為零時(shí)，其輸出就不再變化而維持在某一恒值上，故積分控制作用的特點(diǎn)就是力圖消除穩(wěn)態(tài)誤差。因此，可以選用 PI 控制算法來對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行控制。 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* 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 30 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 使用 Matlab 軟件的 Simulink 工具 包搭建系統(tǒng)模型，對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證波變量方法是否能夠很好的控制具有時(shí)延的遙操作系統(tǒng)。 通過這個(gè)最簡單的系統(tǒng)，波變量方法的正確性得到了驗(yàn)證。前面的章節(jié)已經(jīng)說明，直接使用不經(jīng)改造的波變量會(huì)產(chǎn)生波反射，影響控制效果。當(dāng)給定信號(hào)的頻率提高到 50Hz 時(shí)，整個(gè)遙操作系統(tǒng)的控制效果就沒有在低頻率下理想。本文基于對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)傳輸時(shí)延的分析，采用無源控制算法和波變量方法對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，通過仿真軟件對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。在這一分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用波變量方法對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。 參 考 文 獻(xiàn) 37 參 考 文 獻(xiàn) [1] 景興建，網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和規(guī)劃方法研究 [D]，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所博士論文， 2020 . [2] R. Goertz, and . “ Electronically controlled manipulator” .Nucleonics, 12(11): 4647,Nov. 1954 . [3] 徐旭明，葉榛，陶品，等，基于視覺臨場(chǎng)感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng) [J]，高技術(shù)通訊， 2020， 10(3)： 5760． [4] 戴炬，異機(jī)構(gòu)遙控主從手的雙向力反映 [J]，控制理論與應(yīng)用， 1996， 13：259261． [5] 郭舫舫，趙杰，蔡鶴皋，一個(gè)基于阻抗矩陣的雙向力反應(yīng)遙操作系統(tǒng)模型 [J]，機(jī)電工程， 1998， (2)： 4344． [6] 游松，基于國際互聯(lián)網(wǎng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究 [D]，北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文， 2020： 118． [7] 馬宏鵬，安剛，趙新，等，基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)平臺(tái) [J]，自動(dòng) 化與儀表， 2020， 15(6)： 37． [8] 任昊星，翁海華，楊楊，等，基于 Web 的機(jī)器人遙操作的研究與實(shí)現(xiàn) [J]，計(jì)算機(jī) 工程， 1999， 25(5)： 6465． [9] 韋慶，李杰，基于事件反饋的機(jī)器人監(jiān)控技術(shù)及其在大時(shí)延遙操作中的應(yīng)用[C]，空間機(jī)器人及遙科學(xué)技術(shù)研討會(huì)論文集， 1999： 307313． [10] 吳國釗，傅雪冬，裴海龍，基于 Inter 的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng) [J]，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2020， (1)： 2426． [11] 丁希侖，李海濤，解玉文，等，基于 Inter 的擬人雙臂機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的研究 [J]，高技術(shù)通訊， 2020， 16(8)： 808812． [12] W. R. Ferrell. “ Remote manipulation with transmission delay” . IEEE trans. Human Factors in Electronics, HFE6, No. 1, 1965. [13] Raju G. “ Design issue in 2port works models of bilateral remote manipulation” [J]. IEEE Trans on AutoControl , 1989,34(3):13161321. 參 考 文 獻(xiàn) 38 [14] Strassbrg Y , Goldenberg A A, Mills T K.“ A new control scheme for bilateral teleoperating system: lyapunov stability ana。在遙操作機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用無源性方法，詳細(xì)分析了時(shí)延影響遙操作機(jī)器人穩(wěn)定性和控制效果的原因。大時(shí)延會(huì)給系統(tǒng)的控制效果帶來不利影響，甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為了對(duì)控制效果進(jìn)行全面的驗(yàn)證，正弦波發(fā)生器的頻率將被改變，分別在兩種頻率下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 32 圖 54 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型 圖 55 力跟蹤結(jié)果 這是一個(gè)比較真實(shí)的系統(tǒng)模型，這個(gè)模型很完整而且有阻抗 匹配更加合理的波變量。 在這個(gè)簡單的系統(tǒng)中，方波發(fā)生器被用來模擬主從端受到的力，雖然并不真實(shí)，但是通過這個(gè)系統(tǒng)，可以驗(yàn)證經(jīng)過波變量改造的通信環(huán)節(jié)是否穩(wěn)定。在控制器的設(shè)計(jì)上，采用 PI 控制；在總體結(jié)構(gòu)上，遵循前面各章提出的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)通信環(huán)節(jié)用波變量方法進(jìn)行改造，并將這些模型進(jìn)行拉式變換。 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。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。 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)使其重新成為無源傳輸線的辦法。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。 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。 遙操作機(jī)器人主要用于危險(xiǎn)、惡 劣或者人類無法到達(dá)的環(huán)境中。本文采用在波變量控制器外