【正文】 操作機器人系統(tǒng)的控制效果。系統(tǒng)的理想輸出是此參量的函數(shù)，在系統(tǒng)運行的過程中，系統(tǒng)的目標輸出值被規(guī)劃器實時修正。 第一章 緒論 9 基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的控制方法 基于電路的理論，在長時延的情況下，不能在保證穩(wěn)定性的同時又具有良好的操作性。 下面對目前流行的幾種遙操作機器人時延控制方法進行簡要介紹： 基于電路理論的無源控制方法 這種方法由 Raju在 1989年首先提出。 第一章 緒論 8 遙操作機器人的時延控制 在遙操作機器人系統(tǒng)中，主端和從端相距遙遠，二者依靠通信環(huán)節(jié)進行信息傳輸。有了遙操作機器人的數(shù)學(xué)模型，我們就可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定 性、動態(tài)性能，研究建立遙操作機器人的控制方法，對系統(tǒng)進行仿真模擬。 圖 12 基于 Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型由離散事件、接口和連續(xù)動態(tài)三部分組成。 第一章 緒論 4 NASREM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 該模型由美國國家宇航局（ NASA）和美國國家標準局（ NIST）在 1987 年聯(lián)合公布。智能機器人主題作為自動化領(lǐng)域的一個項目被列入863 劃，從此，我國開始了對遙操作機器人技術(shù)的研究。它的 兩只手臂各長 米 ，各具有 7 個自由度，其中腕部有 2 個自由度。 近年來， 遙操作機器人的應(yīng)用越來越廣泛，在空間探索領(lǐng)域更是大顯身手。因此，我國目前都把這種技術(shù)稱為“遙操作”，而基本不再講“遙科學(xué)”。在以上這些情況下，人們希望能夠在安全的環(huán)境中，通過遠程控制 ，完成極端環(huán)境下的工作。它由 操作者、主端機器人子系統(tǒng)、通信環(huán)節(jié)、從端機器人子系統(tǒng)和工作環(huán)境組成。它將人類的指導(dǎo)和機器自身的智能相結(jié)合，有效拓展了人類的活動空間，延伸了人類的能力，有廣泛的應(yīng)用前景。 本文主要研究遙操作機器人的時延控制問題。主端機器人將操作者的控制指令發(fā)出，經(jīng)過通信環(huán)節(jié)傳遞給從端機器人，然后由從端作用于環(huán)境。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生產(chǎn)和生活中的深入發(fā)展，人們也希望通過互聯(lián)網(wǎng)，遠程操作彼端事物的動作和行為，打破空間的阻礙，使人類的能力得以延伸。 遙操作機器人的發(fā)展 上 世紀四十年代， Fermi 領(lǐng)導(dǎo)他的團隊在 Argonne 國家實驗室進行核試驗，設(shè)計了一套用于處理核廢料的主從式遙操作機器人系統(tǒng) [2]。上世紀九十年代，德國研制了空間機器人 ROTEX，地面工作人員和空間站內(nèi)的宇航員都可以操作 ROTEX，這是人類歷史上第一個空間遙操作機器人。每只手有 12 個自由度，其中拇指 4 個自由度，食指和中指各 3 個自由度，無名指和小指各 1 個自由度，第一章 緒論 3 每根手指可以產(chǎn)生大約 5 磅的抓力。經(jīng)過科技工作者三十多年的艱苦奮斗，我國的遙操作機器人技術(shù)從跟蹤世界先進水平起步，已經(jīng)發(fā)展到實現(xiàn)獨立自主地創(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。它是為具有多個機器人的航天器復(fù)雜環(huán)境設(shè)計的，是遙操作機器人系統(tǒng)模型的典型代表。離散事件部分包括對象的離散狀態(tài)、對混雜對象的事件驅(qū)動、混雜對象的狀態(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 機器人系統(tǒng) n 從端 Agent n 從端 Agent2 機器人系統(tǒng) 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 從端 Agent1 機器人系統(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)換為受控對象的輸入信號；連續(xù)動態(tài)部分由機器人系統(tǒng)的連續(xù)動力學(xué)方程描述。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。由于電磁波的傳輸速度以及信號收發(fā)處理等方面的局限性，遙操作機器人系統(tǒng)存在時延，而且往往較大，不能忽略。他將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進行類比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng) [13]。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。因此，系統(tǒng)的運動規(guī)劃過程變?yōu)閷崟r過程，具有自適應(yīng)特性，可以得到優(yōu)良的控制效果。 第四章 在前面各章分析和設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計遙操作機器人系統(tǒng)的總體控制結(jié)構(gòu)，建立框圖模型，為仿真模擬做準備。在遙操作機器人的研究中，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)）來表征機器人模型的特性。 如此，建立遙操作機器人系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動力學(xué)方程如下： ○ 1 操作者與主端機器人相互作用的動力學(xué)模型： mmmmmdh VBVMFF ??? ? （ ） ○ 2 從端機器人與工作環(huán)境相互 作用的動力學(xué)模型： sssSes VBVMFF ??? ? （ ） ○ 3 工作環(huán)境的動力學(xué)模型： dtVKVBVMF seSesee ???? ? （ ） vsd vm vm vs Fe Fs Fmd Fh 操作者 主端機器人 通信環(huán)節(jié) 從端機器人 工作環(huán)境 第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 13 以上就是遙操作機器人系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動力學(xué)模型。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)。 ? 線性二端口傳輸介質(zhì)：對應(yīng)這系統(tǒng)中有時滯的傳輸介質(zhì)，對應(yīng)圖 24（ e） 根據(jù)遙操作機器人 的動力學(xué)模型和二端口網(wǎng)絡(luò)等效原理，可以畫出遙操作機第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 15 器人的等效電路模型： 圖 25 遙操作機器人的等效電路模型 其中， Zm和 Zs 分別是主從端機器人的等效阻抗， Zc表示從端控制器的等效阻抗， Ze表示環(huán)境阻抗。 Fh Zm 時延 Zs Zc Ze Fmd Fs Fe + + + + Vm Vsd Vs 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 16 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 無源性理論 本章將基于無源性理論來分析遙操作機器人的穩(wěn)定性。如果一個系統(tǒng)是無源的，那么這個系統(tǒng)只消耗能量而不產(chǎn)生能量。 定義 ： 散射算子 S： )()(22 ?? ? RLRL nn 定義為： ))()()(()()( sIsUsSsIsU ??? 在一個雙端口網(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： ????????????????????? ?? )( )()( )()()( )()( 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。 對于如圖 23所示的雙邊遙操作機器人而言，主從端機器人都是具有無源性的，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)的時延產(chǎn)生。 基于波變量的矯正方法 無源控制理論雖然可以分析遙操作機器人的穩(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)無源的方法。對于這個新的通信模塊，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 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 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)是無源的。由于波變量控制器將速度和力信號聯(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。 透明性是指遙操作機器人系統(tǒng)具有臨場感。如果從端機器人的力感知信息經(jīng)過通信時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情況（即操作者具有臨場感），那么操作者就可以準確實時地處理從端機器人的操作任務(wù)。如果從端能夠在速度和位置上對主端實現(xiàn)完全跟蹤（即 Vs=Vm,Xs=Xm），那么由 Zh=Ze就能得出 Fh=Fe。 wTwMwTjw MjwZ eeh ?? )2s in ()2s in ()2c o s ( wTwKwTjBwTB eee ??? )2cos( wTjwKe? 可以看出，通信時延造成了環(huán)境阻抗傳遞過程中質(zhì)量、阻尼和剛度的嚴重非線性失真。由于時延的存在，通信環(huán)節(jié)原本的無源性被改變，成為一個有源傳輸線。 對從端機器人，我們采用 PID 算法進行控制。它的控制作用是隨時間逐步積累的，動作比較遲緩，對系統(tǒng)暫態(tài)特性不利。 第四章 遙操作機器人的總體控制設(shè)計 28 遙操作機器人的總體控制結(jié)構(gòu) 有了遙操作機器人各部分的數(shù)學(xué)模型后，就可以著手設(shè)計系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 對波變量方法的驗證 首先搭建一個運用了波變量的通信環(huán)節(jié)，主端和從端都用方波發(fā)生器來模擬作用力。 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 31 圖 52 力跟蹤結(jié)果 圖 53 速度跟蹤結(jié)果 更加真實的遙操作機器人仿真模型 一個更加真實的遙操作機器人系統(tǒng)應(yīng)該建 立在主從端、環(huán)境、以及控制器的數(shù)學(xué)模型之上。 在下面一節(jié)中，將在這個模型的基礎(chǔ)上，建立一個消除了波反射的系統(tǒng)模型，第五章 系統(tǒng)仿真實驗 33 以獲得更好的控制效果。所以，這一小節(jié)中設(shè)計的遙操作機器人模型是合適的，可以使用。在此基礎(chǔ)上，分析遙操作機器人系統(tǒng)產(chǎn)生時延的原因以及時延產(chǎn)生的影響。此外，為了使穩(wěn)定的系統(tǒng)有更好的控制效果，又對波變量進行改造，消除了波反射。在仿真中，本文分別對三種情況進行了驗證。大時延的存在會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。在遙操作機器人的幫助下，人類不用親臨現(xiàn)場，就可以完成一些極端環(huán)境中的工作。 圖 57 消除了波反射的遙操作機器人系統(tǒng)仿真模型 這個模型對波變量環(huán)節(jié)進行了改造，在波變量的前后分別加入兩個阻抗。在這個仿真模型中，正弦波信號發(fā)生器被用來模擬主端操作者施加的力，然后根據(jù)公式（ ）— （ ）分別為主從端機器人、從端控制器以及從端環(huán)境建立傳遞函數(shù)模型，并運用波變量方法改造通信環(huán)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下： 圖 51 經(jīng)波變量改造后的通信環(huán)節(jié)仿真模型 在圖 51 中，兩個方波發(fā)生器分別模擬主端和從端的作用力，使用 50%的占空比，兩個示波器分別顯示力跟蹤和速度跟蹤結(jié)果。在后面章節(jié) 的仿真模擬中，我們將看到，通信環(huán)節(jié)經(jīng)過阻抗匹配消除了波反射后，整個系統(tǒng)的控制效果確實得到了改善。 （ 3） 比例積分微分 （ PID）控制器 如果在上述 PI 控制器中再引入一個微分控制環(huán)節(jié)，便構(gòu)成了比例 +積分 +微分控制器。在控制系統(tǒng)中使用比例控制器，只要被調(diào)量偏離給定值，控制器就能及時地產(chǎn)生一個與偏差成比例的控制信號作用于受控系統(tǒng)來消除偏差，由于比例控制的這種及時控制作用，故在實際控制系統(tǒng)中通常都含有比例控制環(huán)節(jié)。因此，通過波變量方法的矯正，通信環(huán)節(jié)重新具有了無源性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。對于最大工作帶寬 Wmax 一定的系統(tǒng)，隨著時延的增大，系統(tǒng)的透明性以周期的形式降低，當(dāng) T → k π / 2Wmax，系統(tǒng)的透明性最差