【正文】 附加阻抗的方式，附加的阻抗應(yīng)該直接與系統(tǒng)中的力信號和速度信號相關(guān)聯(lián)。與之類似，使用波 變量方法控制遙操作機(jī)器人時，在主端和從端，同樣會發(fā)生波反射 [20]。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。 接下來考慮通信環(huán)節(jié)存在時延的情況，本文僅分析具有固定時延 T的遙操作機(jī)器人。 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析 從無源性的角度角度來分析，只要系統(tǒng)具有無源性，那么這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。 I2 I2 U2 A 1 3 339。所以，無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。 本章小結(jié) 本章簡要介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)理論。 圖 24 主要的無源元件 根據(jù)電路理論，圖 24 所畫電路元件都是無源的，對遙操作機(jī)器人建模時，也將利用這些無源元件： ? 慣性元件 M：對應(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）對應(yīng)。 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)。這里研究一個雙邊力反饋遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。 流出的電流，這種電路稱為二端口網(wǎng)絡(luò) [18]。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。 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。 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]。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）。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。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。當(dāng)人們把這一技術(shù)運用于遙操作機(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。 遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 遙操作機(jī)器人事實上是一個結(jié)構(gòu)龐大而松散的系統(tǒng)。在英法俄三國聯(lián)合完成的一項遙操作實驗中， Java 和 Java3D 技術(shù)被用來建立三維虛擬環(huán)境，操作者可以通過 Web 方式遠(yuǎn)程訪問遙操作機(jī)器人，運用數(shù)據(jù)手套控制機(jī)器人運動。運用這套系統(tǒng)，操作者甚至能夠控制機(jī)器人建設(shè)月球基地，挖掘月球巖石。 90 年代以后，機(jī)器人技術(shù)開始與其它領(lǐng)域交叉。 事實上，在早期我國科技工作者一般把“遙操作”稱 為“遙科學(xué)”。 隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，人類的探索領(lǐng)域不斷拓展。最后，運用 Matlab 軟件對控制算法進(jìn)行仿真模擬。摘 要 I 遙操作機(jī)器人理論本科畢業(yè)設(shè)計 摘 要 隨著探索領(lǐng)域的不斷拓展，人類對機(jī)器人的需求越來越大。接著，運用無源控制理論中的波變量方法，設(shè)計遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制算法。事實上，遙操作技術(shù)就是一種“橋梁”，它彌平了 操作者與被操作物體在物理空間上的鴻溝，通過將人與實驗終端構(gòu)成一個閉合的控制回路 ,跨越空間距離而最終實現(xiàn)了人類能力的延伸。其優(yōu)越性就在于，可以極大地提高操作者的安全性和工作效率，降低成本，更高效合理地利用人力和物質(zhì)資源，實現(xiàn)多方協(xié)調(diào)作業(yè)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、遙規(guī)劃和控制以及遠(yuǎn)程信息（如感知） 互動等 [1]。它的技術(shù)發(fā)展歷程大致可以分為兩個階 段： 第一階段表現(xiàn)為驅(qū)動方式的進(jìn)步，從機(jī)械聯(lián)動到電動伺服，遙操作機(jī)器人最終確定了雙向力反饋主從操作的模式，這一階段的遙操作機(jī)器人主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域及核工業(yè)；第二階段表現(xiàn)為控制方式的進(jìn)步，隨著計算機(jī)技術(shù)、控制理論、人工智能以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)與它們相互融合，最終產(chǎn)生了計算機(jī)輔助遙操作，即第二代遙操作技術(shù)。 2020 美國 Coordinated Science 實驗室開發(fā)出半自主人機(jī)協(xié)作多 機(jī)器人登月探測遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)操作者在地月之間的雙向遙操作。人們可以利用該計算機(jī)系統(tǒng)生成某種虛擬環(huán)境，操作者借助系統(tǒng)中的各種傳感器，就可以“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)操作者與環(huán)境的直接自然交互。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。 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。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。到目前為止，這一系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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]?；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 。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。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。 流出的電流；同時，從端子 2 流入方框的電流等于從端子 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。 Vm是主端機(jī)器人的運動速度， VS是從端機(jī)器人的運動速度。首先，不加說明地給出幾種電路系統(tǒng)中的無源性元件，用以建立遙操作機(jī)器人的電路等效模型。因此需要對傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，使其具有無源性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。但是，在前面的章節(jié)中，遙操作機(jī)器人的二端口模型已經(jīng)被建立起來，也就是說遙操作機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)被等效成電路系統(tǒng)。 I1 U1 I1 2 239。這也就明確地給出了： ? ? ??????0 0)()()()( dtIUIUIUIU TT （ ） 即 020 211 ???? dtIUIU （ ） 即系統(tǒng)是無源的。很顯然，在沒有通信時延的情況下，系統(tǒng)是無源的，具有穩(wěn)定性。 波變量方法由 Niemeyer 和 Slotine 最 先提出 [20]。 阻抗匹配 在自然界的系統(tǒng)中，波在接口處和終止端會發(fā)生反射。 為了避免波反射，就要對波變量控制器進(jìn)行阻抗相匹配設(shè)計。文本主要考慮在具有力覺臨場感的情況下，主從機(jī)器人之間的力和速度跟蹤問題，以及本地操作者對遠(yuǎn)端環(huán)境的感知問題?！巴该餍浴彼枋龅恼沁b操作機(jī)器人所具有的臨場感的程度。 時延對透明性的影響 從透明性的定義可以看出，當(dāng)操作者感知的阻抗 Zh 等于從端的環(huán)境阻抗 Ze時，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)具有完全的透明性。 綜合本章所述內(nèi)容，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)最重要的兩個指標(biāo)。此外，為了定量地描述系 統(tǒng)的操作性能，引入透明性的概念；為了獲得更好的控制效果，對波變量進(jìn)行了改造，通過引入一些相互關(guān)聯(lián)的阻抗，消除了波反射，改善了操作性能。 （ 2） 比例積分（ PI）控制器 比例積分控制是在比例控制的基礎(chǔ)上再引入一個積分控制項。這一控制器規(guī)律的輸入輸出表達(dá)式為： )()()()( 0 tedtdKdeKteKtu dtip ??? ? ?? 相應(yīng)的 PID 控制器傳遞函數(shù)為： )11()( )()( sTsTKsE sUsG dip ???? 其中， Ti稱為微分時間常數(shù)。 圖 43 經(jīng)過阻抗匹配后消除了波反射的通信環(huán)節(jié) 本章小結(jié) 本章設(shè)計了遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu)。兩個示波器的波形如圖 52和圖 53 所示 。在這個系統(tǒng)中并沒有消除波反射，所以在下面的波形中可以看到，力和速度的跟蹤效果不甚理想，有一定波動。這兩個阻抗經(jīng)過合適的匹配，可以消除波反射。但是，由于操作者和從端機(jī)器人距離遙遠(yuǎn)，控制和反饋信號在通信環(huán)節(jié)的傳輸中有很大的延遲。 （ 2）基于電路的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，建立了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動力學(xué)模型。仿真結(jié)果表明，波變量方法確實可以保證具有大時延的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性；運用波變量方法設(shè)計的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是穩(wěn)定可控的，但是跟蹤結(jié)果有一定波動 ；在改造了波變量、消除波反射以后，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)獲得理想的控制效果。經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié)重新具有了無源性，系統(tǒng)獲得穩(wěn)定。主要進(jìn)行了如下工作： （ 1）介紹遙操作機(jī)器人的發(fā)展歷程、國內(nèi) 外研究現(xiàn)狀以及目前流行的時延控制方法。但是考慮到遙操作機(jī)器人的實際使用環(huán)境（如空間、深海、遠(yuǎn)程醫(yī)療等），一般不會出現(xiàn)頻率如此之高的情況。仿真結(jié)果中力和速度的波動，就是波反射造成的，這個結(jié)果很好地驗證了前面章節(jié)中對波反射所作的理論分析。接下來，更加真實的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型將被搭建，并進(jìn)行仿真驗證。本文只分析具有固定時延的情況。于是就可以得到從端機(jī)器人控制器的數(shù)學(xué)模型為式（ ）的形式，重寫如下： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） 其中 Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。 但是積分控制作用也有一定的缺點。其中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)。 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 25 本章小結(jié) 本章介紹了無源性理論，基于該理論分析了具有大時延的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，并給出了解決不穩(wěn)定的方法 —— 波變量方法。 ?? ??? )2s in ()2c o s ()(39。當(dāng)從端與環(huán)境接觸時，環(huán)境與從端的作用力為Fe，環(huán)境阻抗為 Ze，則有 Fe=ZeVe。因此，現(xiàn)在雙向力反饋控制被廣泛應(yīng)用在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，可以使操作者對返回的力覺信息具有臨場感 [22]。透明性這 一概念就是用于描述遙操作系統(tǒng)可操作性的重要指標(biāo)。 波反射產(chǎn)生在通信環(huán)節(jié)和引入的波變量控制器之間，這種現(xiàn)象由波變量控制器的特點產(chǎn)生。經(jīng)過改造后的信號可以用 Vl、 Fr等表示： )(2)(2)(21)(21rrsllmdrrsdllmVFbFVFbFVFbVFVbV????????? （ ） 通信環(huán)節(jié)經(jīng)過改造后，便具有了無源傳輸線的特性?？梢娚⑸渌阕?S 是無界的，因此通信環(huán)節(jié)不具有無源性，不穩(wěn)定。如果某一部分具有無源性，那么它就是穩(wěn)定的，否則就要通過一些處理使之具有無源性。如果整個系統(tǒng)無源，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 332211 0)()()()()()( dttItUtItUtItU （ ） 式（ ）有助于更好的理解二端口網(wǎng)絡(luò)無源性的概念：整個系統(tǒng)無源不一定說明組成系統(tǒng)的每一個子系統(tǒng)都是無源的，但是由無源的子系統(tǒng)串聯(lián)而成的系統(tǒng)一定是無源的。 如果一個二端口網(wǎng)絡(luò)是無損的，那么當(dāng)且僅當(dāng)有如下關(guān)系時成立： ?? ?0 0)()( dttItU （ ） 無源性從能量的角度揭示了系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。在建立起遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的二端口網(wǎng)絡(luò)模型之后，就可以運用電路理論來分析遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性。 ? 變換元件 n：對應(yīng)著機(jī)械系統(tǒng)中的齒輪傳動比等比例關(guān)系，輸入輸出關(guān)系如下： 12 nFF? （ ） 它與圖 24（ d）對應(yīng)。如圖 23所示，主端、通信環(huán)節(jié)和從端都是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，操作者和環(huán)境則是一端口網(wǎng)絡(luò)。 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。 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。介紹透明性概念，用于描述遙