【正文】 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。 給定正弦波發(fā)生器 10Hz 的頻率，結果如下： 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 34 圖 59 速度跟蹤結果（ 10Hz） 圖 58 力跟蹤結果（ 10Hz） 從跟蹤結果圖可以看出，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。圖 52和圖 53 分別顯示速度和力的跟蹤結果，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。 在遙操作機器人系統(tǒng)中 ，由于時延的存在以及操作任務的實際特點，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。本章將在前 面分析的基礎上，對遙操作機器人進行總體控制設計。 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)。同時由于操作任務的復雜性，機器人尚不具備獨自處理和完成任務的智能，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)定性分析與設計 23 者的指導。這種反射會影響遙操作機器人的控制效果?？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）。 I3 I3 U3 B 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設計 17 為了更好地理解二端口網(wǎng)絡無源性的條件，再分析一下多個二端口網(wǎng)絡串聯(lián)的情況。二 端口網(wǎng)絡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)。 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)。用二端口概念分析電路時，只需考慮二端口處電流、電壓之間的關系，這種關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]。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 。 但是，經(jīng)典的采樣控制結構有許多假設在遙操作機器人領域中不成立，因此采樣控制結構還需要進一步探索新的模型體系，來適應遙操作機器人的需求。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。 2020 年，美國在國際空間站的“命運”號實驗艙安裝了機器人 Robonaut2。但是所謂“遙科學”并不具備它作為“科學”所應有的哲學范疇，僅僅是一種特殊的操第一章 緒論 2 作模式。 關鍵詞： 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。然后，基于遙 操作機器人的二端口網(wǎng)絡模型，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。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，這就是遙操作技術的特點。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。 中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構的監(jiān)控遙操作系統(tǒng) [4]，哈爾濱工業(yè)大學開發(fā) 了空間機器人共享系統(tǒng) [5]，北京航空航天大學開發(fā)了基于 Inter 的遙操作系統(tǒng) [6]，南開大學開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的主從式遙操作平臺 [7]，上海交通大學開發(fā)了基于 Web 的機器人遙操作系統(tǒng) [8]，國防科技大學開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實技術的監(jiān)控式大時延機器人系統(tǒng) [9]，華南理工大學開發(fā)了基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機器人實時跟蹤系統(tǒng) [10]，東南大學開發(fā)了力覺臨場感遙操作系統(tǒng) [11]。 圖 13 混雜系統(tǒng)結構模型 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)的基礎上發(fā)展起來的，它主要用于網(wǎng)絡遙操作機器人。除了距離的原因會造成時延外，大容量信息的壓縮 /復現(xiàn)、編碼 /解碼及信息載波傳輸帶寬的限度都會造成時延。 借助各種傳感設備，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。 第二章 遙操作機器人的動力學模型和數(shù)學 模型 11 第二章 遙操作機器人的動力學模型和數(shù)學模型 二端口網(wǎng)絡理論 圖 21 二端口網(wǎng)絡 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。 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。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。 圖 31 二端口網(wǎng)絡串 聯(lián)的情況 139。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）。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。臨場感技術包括視覺臨場感和力覺臨場感。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計來保證系統(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微分控制環(huán)節(jié)，便構成了比例 +積分 +微分控制器。系統(tǒng)結構圖如下： 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果。 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。大時延的存在會影響系統(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，又對波變量進行改造，消除了波反射。所以，這一小節(jié)中設計的遙操作機器人模型是合適的，可以使用。 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 31 圖 52 力跟蹤結果 圖 53 速度跟蹤結果 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)應該建 立在主從端、環(huán)境、以及控制器的數(shù)學模型之上。 第四章 遙操作機器人的總體控制設計 28 遙操作機器人的總體控制結構 有了遙操作機器人各部分的數(shù)學模型后，就可以著手設計系 統(tǒng)的總體結構。 對從端機器人，我們采用 PID 算法進行控制。 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量、阻尼和剛度的嚴重非線性失真。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。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。 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。 定義 ： 散射算子 S： )()(22 ?? ? RLRL nn 定義為： ))()()(()()( sIsUsSsIsU ??? 在一個雙端口網(wǎng)絡中，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)絡的散射算子，式（ ）表明它可以用二端口網(wǎng)絡的混合參數(shù)矩陣 H（ s）表示。 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)定性分析與設計 16 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設計 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。根據(jù)二端口網(wǎng)絡的相關理論，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 H 參數(shù)矩陣的拉氏變換形式，二端口網(wǎng)絡的特性只與其混合參數(shù)矩陣 H 有關。在遙操作機器人的研究中，經(jīng)常使用二端口網(wǎng)絡的 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。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)絡進行類比，用二端口網(wǎng)絡理論分析遙操作系統(tǒng) [13]。目前 比較有代表性的數(shù)學模型有：形式化模型、混雜系統(tǒng)模型、雙端口網(wǎng)絡模型、采樣系統(tǒng)模型等。它是為具有多個機器人的航天器復雜環(huán)境設計的，是遙操作機器人系統(tǒng)模型的典型代表。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，