【正文】 [22]。但是在實際系統(tǒng)中，不可能實現(xiàn)完全的透明性，這就需要對控制器進行適當?shù)脑O(shè)計來保證系統(tǒng)良好的透明性。但是，遙操作機器人的操作性能有好壞之分，也就是說，對它的透明性不能僅僅做定性的分析，還應(yīng)該進行定量分析。臨場感技術(shù)包括視覺臨場感和力覺臨場感。波反射不包含任何有用的信息，而且要經(jīng)過長時間的往復(fù)反射才能消失，這就會對整體控制產(chǎn)生干擾，影響控制效果。這個新的通信環(huán)節(jié)用波變量來代替原先的功率變量，不論時延 T 有多大，都可以保證整個遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法通過為通信環(huán)節(jié)設(shè)計一個矯正模塊，使其具有無源性。如果通信環(huán)節(jié)沒有時延，那么主端機器人的運動速度Vm將直接傳遞到從端，即 Vsd（ t） =Vm（ t）；同理，從端控制器產(chǎn)生的力 Fs也將直接反饋回主端，即 Fmd（ t） =Fs（ t）。 定理 ： 一個二端口網(wǎng)絡(luò)是無源的，當且僅當其散射算子 S（ s）滿足第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 18 1|||| ?S 也即： 1))()((s u p *2/1 ????? jSjS （ ） 證明：如果 1|||| ?S ，那么 1/ ??? IUIU ，這就說明 022 ???? IUIU 。 圖 31 二端口網(wǎng)絡(luò)串 聯(lián)的情況 139。無源性理論是用于分析電路系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論。不穩(wěn)定的原因在于傳輸環(huán)節(jié)的時延，由于時延的存在，傳輸環(huán)節(jié)不具有無源性，因此是不穩(wěn)定的。 在后面的章節(jié)中，我們將運用無源性理論對遙操作機器人的穩(wěn)定性進行分析。 Fh是操作者施加的力，由操作者根據(jù)感覺給出； Fmd是從端反饋回主端的力； Fs是從端機 器人施加的力，它由從端機器人內(nèi)部的控制算法決定； Fe是環(huán)境與從端機器人之間的作用力。 2 239。 第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 11 第二章 遙操作機器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型 二端口網(wǎng)絡(luò)理論 圖 21 二端口網(wǎng)絡(luò) 如圖 21 所示，如果有兩對端子滿足端口條件，即對于所有時間 t，從端子1 流入方框的電流等于從端子 139。 本文主要研究內(nèi)容 通過對遙操作機器人系統(tǒng)的介紹，本文闡述了設(shè)計遙操作機器人時延控制器的原因。 借助各種傳感設(shè)備，操作者“進入”到計算機創(chuàng)造的遠端環(huán)境中 , 這樣操作者能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，非常自然地操縱遠端機器人。只有改造主從端之間的通信環(huán)節(jié)，使其具有無源傳輸線特性，才能從根本上確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。除了距離的原因會造成時延外，大容量信息的壓縮 /復(fù)現(xiàn)、編碼 /解碼及信息載波傳輸帶寬的限度都會造成時延。 混雜系統(tǒng)模型通常應(yīng)用于連續(xù)信號（如運動、力等）和離散信號（如狀態(tài)邏輯切換等）同時存在的網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)中。 圖 13 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 采樣控制模型 圖 14 采樣控制模型 第一章 緒論 7 采樣控制模型是在計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人。這些模塊有機結(jié)合，構(gòu)成了一個完整的遙操作機器人系統(tǒng)。 中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構(gòu)的監(jiān)控遙操作系統(tǒng) [4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā) 了空間機器人共享系統(tǒng) [5]，北京航空航天大學(xué)開發(fā)了基于 Inter 的遙操作系統(tǒng) [6]，南開大學(xué)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的主從式遙操作平臺 [7]，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機器人遙操作系統(tǒng) [8]，國防科技大學(xué)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的監(jiān)控式大時延機器人系統(tǒng) [9]，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機器人實時跟蹤系統(tǒng) [10]，東南大學(xué)開發(fā)了力覺臨場感遙操作系統(tǒng) [11]。虛擬現(xiàn)實（ VR）是一種多傳感融合的多媒體集成計算機系統(tǒng)，它可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界。2020 年美國國家航空和宇宙航行局 (NASA)相繼發(fā)射了“勇氣號”和“機遇號”火星車，它們登陸火星后，在火星表面開展了多項探測活動并傳回火星表面的照片。遙操作機器人自誕生至今，已經(jīng)有 60 多年的歷史。將操作者作用于主端的命令和行為傳遞到遠端，進而實現(xiàn)對遠端事物的操作和控制，這就是遙操作技術(shù)的特點?！斑b操作”不同于“遙控”，由于“遙操作”屬于遠距離操作，因此遙操作機器人必須能夠把遠端的工作信息反饋給操作者，也就是說，“遙操作”必須具備“知覺反饋”能力。然后，基于遙 操作機器人的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，分析了時延對遙操作機器人控制效果的不利影響，以及產(chǎn)生這些不利影響的原因。當需要在一些人類難以到達或者危險的環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù)時，普通機器人往往難以勝任，這時遙操作機器人就應(yīng)運而生。 關(guān)鍵詞： 機器人 遙操作 二端口 無源控制ABSTRACT II ABSTRACT With the exploration of the area continues to expand, the human demand on the robot is more and more big. When the need in some human inaccessible or dangerous environment to perform plex tasks, often difficult to do ordinary robot, teleoperation will emerge as the times require. Teleoperation is a fusion of robotics, munication technology and control theory. Teleoperation which bines human supervisor and machine intelligence effectively expands the space of human activity and extends human capability, so it has extensive application prospects. This paper mainly studies the control of time delay teleoperation. Firstly, this paper briefly describes the development status of the teleoperation and twoport work theory and builds a twoport work model for teleoperation. Secondly, based on the twoport work model of teleoperation, an analysis which is related to the adverse effect of the time delay in teleoperation control and the causes of these adverse effects is made. What39。但是，在許多極端環(huán)境下，人類無法直接開展工作。但是所謂“遙科學(xué)”并不具備它作為“科學(xué)”所應(yīng)有的哲學(xué)范疇，僅僅是一種特殊的操第一章 緒論 2 作模式。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，美國在國際空間站的“命運”號實驗艙安裝了機器人 Robonaut2。 我國非常重視遙操作機器人技術(shù)的研究開發(fā)。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。 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。 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。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 。 Lawrence 提出了“無緣距離”和“透明距離”等概念。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]。 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。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。 為了簡單，本文僅研究只有一個自由度的機器人。 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的表達式： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。 ? 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)。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)。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，那么當且僅當注入端口的電流 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。 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。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]?？紤]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）。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。這種反射會影響遙操作機器人的控制效果。 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，達到滿意的控制效果。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)。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。 P 越小，則說明系統(tǒng)的透明性越好，當 P=0 時系統(tǒng)的透明性最好，處于完全的臨場感狀態(tài)。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。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。 可以消除偏差是積分控制器的特點。 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。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備。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。但是仔細觀察波形，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。 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，達到了遙操作機器人的控制性能要求。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。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