【正文】 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。 遙操作機器人的發(fā)展 上 世紀四十年代， Fermi 領(lǐng)導他的團隊在 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]。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。它將人類的指導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，有廣泛的應用前景。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。 近年來， 遙操作機器人的應用越來越廣泛，在空間探索領(lǐng)域更是大顯身手。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。 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 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。 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。介紹透明性概念，用于描述遙操作機器人系統(tǒng)的控制效果。 為了建立遙操作機器人各個環(huán)節(jié)的動力學模型，作出如下假設(shè)： 假設(shè) 1：從端機器人與工作環(huán)境中的物體接觸且該物體沒有發(fā)生形變時的位移為零； 假設(shè) 2：從端機器人的質(zhì)量包含工作環(huán)境中所接觸物體的質(zhì)量； 假設(shè) 3：操作者對主端機器人施加的力 與主端機器人本身的動態(tài)特性無關(guān)； 假設(shè) 4：只考慮從端機器人與工作環(huán)境中所接觸物體相接觸的動態(tài)特性。 ? 變換元件 n：對應著機械系統(tǒng)中的齒輪傳動比等比例關(guān)系，輸入輸出關(guān)系如下： 12 nFF? （ ） 它與圖 24（ d）對應。 如果一個二端口網(wǎng)絡是無損的，那么當且僅當有如下關(guān)系時成立： ?? ?0 0)()( dttItU （ ） 無源性從能量的角度揭示了系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。如果某一部分具有無源性，那么它就是穩(wěn)定的，否則就要通過一些處理使之具有無源性。經(jīng)過改造后的信號可以用 Vl、 Fr等表示： )(2)(2)(21)(21rrsllmdrrsdllmVFbFVFbFVFbVFVbV????????? （ ） 通信環(huán)節(jié)經(jīng)過改造后，便具有了無源傳輸線的特性。透明性這 一概念就是用于描述遙操作系統(tǒng)可操作性的重要指標。當從端與環(huán)境接觸時，環(huán)境與從端的作用力為Fe，環(huán)境阻抗為 Ze，則有 Fe=ZeVe。 第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 25 本章小結(jié) 本章介紹了無源性理論，基于該理論分析了具有大時延的遙操作機器人系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，并給出了解決不穩(wěn)定的方法 —— 波變量方法。 但是積分控制作用也有一定的缺點。本文只分析具有固定時延的情況。仿真結(jié)果中力和速度的波動，就是波反射造成的，這個結(jié)果很好地驗證了前面章節(jié)中對波反射所作的理論分析。主要進行了如下工作： （ 1）介紹遙操作機器人的發(fā)展歷程、國內(nèi) 外研究現(xiàn)狀以及目前流行的時延控制方法。仿真結(jié)果表明，波變量方法確實可以保證具有大時延的遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性；運用波變量方法設(shè)計的遙操作機器人系統(tǒng)是穩(wěn)定可控的，但是跟蹤結(jié)果有一定波動 ；在改造了波變量、消除波反射以后，遙操作機器人系統(tǒng)獲得理想的控制效果。但是，由于操作者和從端機器人距離遙遠，控制和反饋信號在通信環(huán)節(jié)的傳輸中有很大的延遲。在這個系統(tǒng)中并沒有消除波反射，所以在下面的波形中可以看到，力和速度的跟蹤效果不甚理想，有一定波動。 圖 43 經(jīng)過阻抗匹配后消除了波反射的通信環(huán)節(jié) 本章小結(jié) 本章設(shè)計了遙操作機器人的總體控制結(jié)構(gòu)。 （ 2） 比例積分（ PI）控制器 比例積分控制是在比例控制的基礎(chǔ)上再引入一個積分控制項。 綜合本章所述內(nèi)容，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性是遙操作機器人系統(tǒng)最重要的兩個指標?！巴该餍浴彼枋龅恼沁b操作機器人所具有的臨場感的程度。 為了避免波反射，就要對波變量控制器進行阻抗相匹配設(shè)計。 波變量方法由 Niemeyer 和 Slotine 最 先提出 [20]。這也就明確地給出了： ? ? ??????0 0)()()()( dtIUIUIUIU TT （ ） 即 020 211 ???? dtIUIU （ ） 即系統(tǒng)是無源的。但是，在前面的章節(jié)中，遙操作機器人的二端口模型已經(jīng)被建立起來，也就是說遙操作機器人系統(tǒng)已經(jīng)被等效成電路系統(tǒng)。首先，不加說明地給出幾種電路系統(tǒng)中的無源性元件，用以建立遙操作機器人的電路等效模型。 I1 I2 I2 U1 U2 I1 第二章 遙操作機器人的動力學模型和數(shù)學 模型 12 圖 22 遙操作機器人體系結(jié)構(gòu) 遙操作機器人系統(tǒng)由操作者、主端機器人、通信環(huán)節(jié)、從端機器人和工作環(huán)境組成。本文將建立一個基于二端口網(wǎng)絡的遙操作機器人模型，運用波變量的方法來保證系統(tǒng)傳輸環(huán)節(jié)的無源性，進而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性?；谶@種方法，學者們提出的控制方法主要有散射方法和波變量方法 。到目前為止，這一系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的標準。 Sense Action Global Memory Maps Object Lists Variables Evaluation Program Files Operator Interface G6 M6 H6 G5 M5 H5 G4 M4 H4 G3 M3 H3 G2 M2 H2 G1 M1 H1 Goal 第一章 緒論 5 基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 Agent 技術(shù)來自于人工智能技術(shù)的發(fā)展，以往應用在智能機器人中。人們可以利用該計算機系統(tǒng)生成某種虛擬環(huán)境，操作者借助系統(tǒng)中的各種傳感器，就可以“投入”到該環(huán)境中，實現(xiàn)操作者與環(huán)境的直接自然交互。它的技術(shù)發(fā)展歷程大致可以分為兩個階 段： 第一階段表現(xiàn)為驅(qū)動方式的進步，從機械聯(lián)動到電動伺服，遙操作機器人最終確定了雙向力反饋主從操作的模式，這一階段的遙操作機器人主要應用于航天領(lǐng)域及核工業(yè)；第二階段表現(xiàn)為控制方式的進步，隨著計算機技術(shù)、控制理論、人工智能以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人技術(shù)與它們相互融合，最終產(chǎn)生了計算機輔助遙操作，即第二代遙操作技術(shù)。事實上，遙操作技術(shù)就是一種“橋梁”，它彌平了 操作者與被操作物體在物理空間上的鴻溝，通過將人與實驗終端構(gòu)成一個閉合的控制回路 ,跨越空間距離而最終實現(xiàn)了人類能力的延伸。摘 要 I 遙操作機器人理論本科畢業(yè)設(shè)計 摘 要 隨著探索領(lǐng)域的不斷拓展，人類對機器人的需求越來越大。 隨著科技的發(fā)展進步，人類的探索領(lǐng)域不斷拓展。 90 年代以后，機器人技術(shù)開始與其它領(lǐng)域交叉。在英法俄三國聯(lián)合完成的一項遙操作實驗中， Java 和 Java3D 技術(shù)被用來建立三維虛擬環(huán)境，操作者可以通過 Web 方式遠程訪問遙操作機器人，運用數(shù)據(jù)手套控制機器人運動。當人們把這一技術(shù)運用于遙操作機器人系統(tǒng)時，便產(chǎn)生了基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。一般來說，連續(xù)時間過程一般用微分方程表示，離散時間過程一般用差分方程表示，而邏輯或 決策過程則用有限自動機或更一般的離散事件系統(tǒng)表示。 基于現(xiàn)代控制理論的方法 加拿大多倫多大學的 Strassberg和 Goldembeng等人利用現(xiàn)代控制理論中的李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)分析遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性 [14]。本文的主要工作如下： 第一章 主要敘述遙操作機器人系統(tǒng)的研究背景和研究意義，講述遙操作機器人的發(fā)展歷程，簡要介紹目前流行的遙操作機器人控制方法。這里研究一個雙邊力反饋遙操作機器人系統(tǒng)。 圖 24 主要的無源元件 根據(jù)電路理論，圖 24 所畫電路元件都是無源的，對遙操作機器人建模時，也將利用這些無源元件： ? 慣性元件 M：對應著主從端機器人的質(zhì)量，輸入輸出關(guān)系如下： )(MvdtdF? （ ） 它與圖 24（ a）對應。所以，無源性理論可以被用來分析遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析 從無源性的角度角度來分析，只要系統(tǒng)具有無源性，那么這個系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。所謂波變量，就是在通信環(huán)節(jié)的兩端分別加入一些相互關(guān)聯(lián)的阻抗模塊，構(gòu)成波變量控制器。本文采用在波變量控制器外附加阻抗的方式，附加的阻抗應該直接與系統(tǒng)中的力信號和速度信號相關(guān)聯(lián)。 下面給出透明性的具體定義： 結(jié)合遙操作機器人的系統(tǒng)模型和動力學模型，做如下定義： 操作者感知到的阻抗： )( )(sV sFZ mhh ? （ ） 環(huán)境阻抗： )( )(sV sFZ see ? （ ） 定義 [23]：假設(shè)在頻域中，操作者“感知”的阻抗可以被定義為式（ ）形式。穩(wěn)定性保證了系統(tǒng)是可控制的，透明性描述了系統(tǒng)操作性能的好壞。相應的比例控第四章 遙操作機器人的總體控制設(shè)計 27 制器時域中的輸入輸出關(guān)系為： ??? tip dteKteKtu 0 )()()( ? 將上式進行拉式變換則可得，比例積分控制器的傳遞函數(shù)為： )11()( )()( sTKsG sUsG ip ??? 式中， Ti稱作積分常數(shù)，它的倒數(shù) 1/Ti稱為積分速度。在控制器的設(shè)計上，采用 PI 控制；在總體結(jié)構(gòu)上，遵循前面各章提出的數(shù)學模型和動力學模型，對通信環(huán)節(jié)用波變量方法進行改造，并將這些模型進行拉式變換。 第五章 系統(tǒng)仿真實驗 32 圖 54 更加真實的遙操作機器人系統(tǒng)仿真模型 圖 55 力跟蹤結(jié)果 這是一個比較真實的系統(tǒng)模型，這個模型很完整而且有阻抗 匹配更加合理的波變量。大時延會給系統(tǒng)的控制效果帶來不利影響，甚至會造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 參 考 文 獻 37 參 考 文 獻 [1] 景興建，網(wǎng)絡遙操作機器人系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和規(guī)劃方法研究 [D]，中國科學院沈陽自動化研究所博士論文， 2020 . 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