【正文】 大時(shí)延破壞了通信環(huán)節(jié)的無(wú)源性，使通信 環(huán)節(jié)成為一個(gè)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。 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(shí)驗(yàn) 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(gè)系統(tǒng)在低頻率（ 10Hz）的情況下，可以對(duì)主端給定的速度和從端反饋的力進(jìn)行穩(wěn)定的跟蹤，沒有波動(dòng)，效果比較理想，達(dá)到了遙操作機(jī)器人的控制性能要求。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(shì)來看，波變量被引入后，通信環(huán)節(jié)確實(shí)具有無(wú)源性，整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中 ，由于時(shí)延的存在以及操作任務(wù)的實(shí)際特點(diǎn)，從端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是比較緩慢的，對(duì)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。本章將在前 面分析的基礎(chǔ)上，對(duì)遙操作機(jī)器人進(jìn)行總體控制設(shè)計(jì)。 P 越小，則說明系統(tǒng)的透明性越好，當(dāng) P=0 時(shí)系統(tǒng)的透明性最好，處于完全的臨場(chǎng)感狀態(tài)。同時(shí)由于操作任務(wù)的復(fù)雜性，機(jī)器人尚不具備獨(dú)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(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 23 者的指導(dǎo)。這種反射會(huì)影響遙操作機(jī)器人的控制效果。考慮圖 23的模型，由于通信時(shí)延 T的存在，則有 Vsd（ t） =Vm（ tT），F(xiàn)md（ t） =Fs（ tT）。 I3 I3 U3 B 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 17 為了更好地理解二端口網(wǎng)絡(luò)無(wú)源性的條件，再分析一下多個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)的情況。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(jī)器人與電路有相似性，可以把它等效成一個(gè)電路系統(tǒng)。 此外，對(duì)從端機(jī)器人采用 PI控制算法，可以得到從端機(jī)器人內(nèi)力 Fs的表達(dá)式： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。用二端口概念分析電路時(shí)，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。因此，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的席寧等人提出了基于事件的控制方法 [16][17]。然而，由于存在較大的時(shí)延，原本穩(wěn)定的雙向力反饋遙操作機(jī)器人可能失去穩(wěn)定性 。 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(jī)器人領(lǐng)域中不成立，因此采樣控制結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步探索新的模型體系，來適應(yīng)遙操作機(jī)器人的需求。因此，提 出一個(gè)系統(tǒng)模型對(duì)遙操作機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。 2020 年，美國(guó)在國(guó)際空間站的“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙安裝了機(jī)器人 Robonaut2。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。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 遙操作 二端口 無(wú)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。然后，基于遙 操作機(jī)器人的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，分析了時(shí)延對(duì)遙操作機(jī)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。將操作者作用于主端的命令和行為傳遞到遠(yuǎn)端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端事物的操作和控制，這就是遙操作技術(shù)的特點(diǎn)。2020 年美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局 (NASA)相繼發(fā)射了“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車，它們登陸火星后，在火星表面開展了多項(xiàng)探測(cè)活動(dòng)并傳回火星表面的照片。 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)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(jī)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(tái) [7]，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng) [8]，國(guó)防科技大學(xué)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的監(jiān)控式大時(shí)延機(jī)器人系統(tǒng) [9]，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng) [10]，東南大學(xué)開發(fā)了力覺臨場(chǎng)感遙操作系統(tǒng) [11]。 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(jì)算機(jī)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(jī)器人。除了距離的原因會(huì)造成時(shí)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(huì)造成時(shí)延。 借助各種傳感設(shè)備，操作者“進(jìn)入”到計(jì)算機(jī)創(chuàng)造的遠(yuǎn)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(yuǎn)端機(jī)器人。 第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 11 第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)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(duì)端子滿足端口條件，即對(duì)于所有時(shí)間 t，從端子1 流入方框的電流等于從端子 139。 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(jī) 器人施加的力，它由從端機(jī)器人內(nèi)部的控制算法決定； Fe是環(huán)境與從端機(jī)器人之間的作用力。不穩(wěn)定的原因在于傳輸環(huán)節(jié)的時(shí)延，由于時(shí)延的存在，傳輸環(huán)節(jié)不具有無(wú)源性，因此是不穩(wěn)定的。 圖 31 二端口網(wǎng)絡(luò)串 聯(lián)的情況 139。如果通信環(huán)節(jié)沒有時(shí)延，那么主端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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）。這個(gè)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(shí)延 T 有多大，都可以保證整個(gè)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。臨場(chǎng)感技術(shù)包括視覺臨場(chǎng)感和力覺臨場(chǎng)感。但是在實(shí)際系統(tǒng)中，不可能實(shí)現(xiàn)完全的透明性，這就需要對(duì)控制器進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)來保證系統(tǒng)良好的透明性。因此，通過波變量方法的矯正，通信環(huán)節(jié)重新具有了無(wú)源性，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定。 （ 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(gè)微分控制環(huán)節(jié)，便構(gòu)成了比例 +積分 +微分控制器。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(gè)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(gè)示波器分別顯示力跟蹤和速度跟蹤結(jié)果。 圖 57 消除了波反射的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型 這個(gè)模型對(duì)波變量環(huán)節(jié)進(jìn)行了改造，在波變量的前后分別加入兩個(gè)阻抗。大時(shí)延的存在會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。此外，為了使穩(wěn)定的系統(tǒng)有更好的控制效果，又對(duì)波變量進(jìn)行改造，消除了波反射。所以，這一小節(jié)中設(shè)計(jì)的遙操作機(jī)器人模型是合適的，可以使用。 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 31 圖 52 力跟蹤結(jié)果 圖 53 速度跟蹤結(jié)果 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人仿真模型 一個(gè)更加真實(shí)的遙操作機(jī)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。 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 28 遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu) 有了遙操作機(jī)器人各部分的數(shù)學(xué)模型后，就可以著手設(shè)計(jì)系 統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。 對(duì)從端機(jī)器人，我們采用 PID 算法進(jìn)行控制。 wTwMwTjw MjwZ eeh ?? )2s in ()2s in ()2c o s ( wTwKwTjBwTB eee ??? )2cos( wTjwKe? 可以看出，通信時(shí)延造成了環(huán)境阻抗傳遞過程中質(zhì)量、阻尼和剛度的嚴(yán)重非線性失真。如果從端機(jī)器人的力感知信息經(jīng)過通信時(shí)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(shí)情況（即操作者具有臨場(chǎng)感），那么操作者就可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地處理從端機(jī)器人的操作任務(wù)。由于波變量控制器將速度和力信號(hào)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。 基于波變量的矯正方法 無(wú)源控制理論雖然可以分析遙操作機(jī)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(wú)源的方法。 定義 ： 散射算子 S： )()(22 ?? ? RLRL nn 定義為： ))()()(()()( sIsUsSsIsU ??? 在一個(gè)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(shí)： ????????????????????? ?? )( )()( )()()( )()( 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。 Fh Zm 時(shí)延 Zs Zc Ze Fmd Fs Fe + + + + Vm Vsd Vs 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 16 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 無(wú)源性理論 本章將基于無(wú)源性理論來分析遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性。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(gè)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)。在遙操作機(jī)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(jī)器人模型的特性。因此，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過程變?yōu)閷?shí)時(shí)過程，具有自適應(yīng)特性，可以得到優(yōu)良的控制效果。他將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行類比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng) [13]。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。它是為具有多個(gè)機(jī)器人的航天器復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)的，是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)模型的典型代表。每只手有 12 個(gè)自由度，其中拇指 4 個(gè)自由度，食指和中指各 3 個(gè)自由度，