【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：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(méi)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(lái)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(méi)有過(guò)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)。 時(shí)延對(duì)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(shí)，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)具有完全的透明性。文本主要考慮在具有力覺(jué)臨場(chǎng)感的情況下，主從機(jī)器人之間的力和速度跟蹤問(wèn)題，以及本地操作者對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的感知問(wèn)題。 阻抗匹配在自然界的系統(tǒng)中，波在接口處和終止端會(huì)發(fā)生反射。很顯然，在沒(méi)有通信時(shí)延的情況下，系統(tǒng)是無(wú)源的，具有穩(wěn)定性。I1U1I12239。因此需要對(duì)傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，使其具有無(wú)源性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。Vm是主端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，VS是從端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。2239。這種方法在克服了時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的同時(shí)，具備很好的操作性能。這些時(shí)延會(huì)給遙操作系統(tǒng)的“知覺(jué)”感受和操作性能帶來(lái)極大影響[12]。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。這些成就說(shuō)明了我國(guó)在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域取得的進(jìn)展。2005美國(guó)Coordinated Science實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出半自主人機(jī)協(xié)作多機(jī)器人登月探測(cè)遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)操作者在地月之間的雙向遙操作。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(shí)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(dòng)等[1]。接著，運(yùn)用無(wú)源控制理論中的波變量方法，設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制算法。最后，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)控制算法進(jìn)行仿真模擬。事實(shí)上，在早期我國(guó)科技工作者一般把“遙操作”稱為“遙科學(xué)”。運(yùn)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。 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(shí)上是一個(gè)結(jié)構(gòu)龐大而松散的系統(tǒng)。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(shí)鐘Clock1為周期，采樣命令產(chǎn)生器產(chǎn)生的命令和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的遠(yuǎn)程機(jī)器人的狀態(tài)，生成控制命令并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制器；遠(yuǎn)程控制器以時(shí)鐘Clock2為周期，采樣本地控制器的控制命令并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)給本地控制器。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）。 基于事件的控制方法如果遙操作系統(tǒng)的時(shí)延過(guò)大或者不可預(yù)測(cè)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。I1I2I2U1U2I1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。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)。 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)理論。I2I2U2A13339。接下來(lái)考慮通信環(huán)節(jié)存在時(shí)延的情況，本文僅分析具有固定時(shí)延T的遙操作機(jī)器人。與之類似，使用波變量方法控制遙操作機(jī)器人時(shí)，在主端和從端，同樣會(huì)發(fā)生波反射[20]。遙操作機(jī)器人主要用于危險(xiǎn)、惡劣或者人類無(wú)法到達(dá)的環(huán)境中。由此，可以給出遙操作機(jī)器人系統(tǒng)透明性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo)[24]： （） （）其中Wmax是系統(tǒng)的最大工作帶寬。 遙操作機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)根據(jù)遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程（）—（），重寫(xiě)如下： （） （） （）這三個(gè)方程分別是遙操作機(jī)器人主端、從端以及環(huán)境的動(dòng)力學(xué)模型。因此，可以選用PI控制算法來(lái)對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行控制。通過(guò)這個(gè)最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，波變量方法的正確性得到了驗(yàn)證。當(dāng)給定信號(hào)的頻率提高到50Hz時(shí)，整個(gè)遙操作系統(tǒng)的控制效果就沒(méi)有在低頻率下理想。在這一分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用波變量方法對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。在遙操作機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用無(wú)源性方法，詳細(xì)分析了時(shí)延影響遙操作機(jī)器人穩(wěn)定性和控制效果的原因。為了對(duì)控制效果進(jìn)行全面的驗(yàn)證，正弦波發(fā)生器的頻率將被改變，分別在兩種頻率下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在這個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，方波發(fā)生器被用來(lái)模擬主從端受到的力，雖然并不真實(shí)，但是通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)，可以驗(yàn)證經(jīng)過(guò)波變量改造的通信環(huán)節(jié)是否穩(wěn)定。微分控制能在偏差信號(hào)出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢(shì)產(chǎn)生超前的“預(yù)見(jiàn)”調(diào)節(jié)作用，以加快系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度，改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì)第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì)在前面的章節(jié)中，已經(jīng)分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模型、動(dòng)力學(xué)模型，為遙操作機(jī)器人系統(tǒng)建立了基于二端口網(wǎng)絡(luò)的等效模型，又運(yùn)用無(wú)源性理論分析了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性，指出系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因在于通信環(huán)節(jié)的有源性，它由通信環(huán)節(jié)的時(shí)延產(chǎn)生，最后又給出了改造通信環(huán)節(jié)使其重新成為無(wú)源傳輸線的辦法。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(lái)保證系統(tǒng)良好的透明性。臨場(chǎng)感技術(shù)包括視覺(jué)臨場(chǎng)感和力覺(jué)臨場(chǎng)感。這個(gè)新的通信環(huán)節(jié)用波變量來(lái)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。如果通信環(huán)節(jié)沒(méi)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）。139。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。Fh是操作者施加的力，由操作者根據(jù)感覺(jué)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。 43 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1139。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(jué)，非常自然地操縱遠(yuǎn)端機(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。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(lái)的，它主要用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人。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(kāi)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(kāi)發(fā)了基于 Internet 的遙操作系統(tǒng)[6]，南開(kāi)大學(xué)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)了力覺(jué)臨場(chǎng)感遙操作系統(tǒng)[11]。2004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(kāi)展了多項(xiàng)探測(cè)活動(dòng)并傳回火星表面的照片。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)。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。關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 遙操作 二端口 無(wú)源控制 IV ABSTRACTABSTRACTWith 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 network theory and builds a twoport network model for teleoperation. Secondly, based on the twoport network 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作模式。2011年，美國(guó)在國(guó)