【導(dǎo)讀】隨著探索領(lǐng)域的不斷拓展，人類對機(jī)器人的需求越來越大。遙操作機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)與通信技術(shù)、控制理論等融。它將人類的指導(dǎo)和機(jī)器自身的智能相結(jié)合，有效拓展了人類的活動(dòng)空。間，延伸了人類的能力，有廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制問題。首先，簡要介紹了遙操作機(jī)器?？刂菩Ч牟焕绊?，以及產(chǎn)生這些不利影響的原因。最后，運(yùn)用Matlab軟件。對控制算法進(jìn)行仿真模擬。

　　

【正文】 的，動(dòng)作比較遲緩，對系統(tǒng)暫態(tài)特性不利。因此積分環(huán)節(jié)通常不單獨(dú)使用，而要與其它環(huán)節(jié)配合使用。 （ 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。這一控制器規(guī)律的輸入輸出表達(dá)式為： )()()()( 0 tedtdKdeKteKtu dtip ??? ? ?? 相應(yīng)的 PID 控制器傳遞函數(shù)為： )11()( )()( sTsTKsE sUsG dip ???? 其中， Ti稱為微分時(shí)間常數(shù)。 微分控制能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢產(chǎn)生超前的“預(yù)見”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。 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。因此，可以選用 PI 控制算法來對從端機(jī)器人進(jìn)行控制。于是就可以得到從端機(jī)器人控制器的數(shù)學(xué)模型為式（ ）的形式，重寫如下： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） 其中 Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。 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)?，F(xiàn)在將式（ ） — （ ）依次進(jìn)行拉式變換，可以得到： mmmdhm BsMFFV ???1)( （ ） ssess BsMFFV ???1)( （ ） s KsPVVF ssssds ??? )( （ ） seeee VsKBsMF )( ??? （ ） 根據(jù)以上各式可以得到遙操作機(jī)器人系統(tǒng)各部分的傳遞函數(shù)，據(jù)此，可以得到遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的總體控制框圖： mm BsM ?1D e l a y C o n t r o l l e rsKsP ss ?ss BsM ?1sKsBsM eee ??2M a s t e r D y n a m i c sF s C o n t r o l l e rS l a v e D y n a m i c sE n v i r o m e n t M o d e lF hV m V s dF sV sF eF sF m d 圖 41 遙操作機(jī)器人的控制框圖 圖中的通信環(huán)節(jié)可以使用經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié)： 圖 42 經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié) Fl Fr Vr Vl Fs Vsd Fmd Vm b1 b1 b b21 b2 b2 b21 b1 通信介質(zhì) 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 29 當(dāng)然，為了獲得更好的控制效果，在這里采用經(jīng)過阻抗匹配后的波變量通信環(huán)節(jié)，這種通信環(huán)節(jié)是可以消除波反射的。在后面章節(jié) 的仿真模擬中，我們將看到，通信環(huán)節(jié)經(jīng)過阻抗匹配消除了波反射后，整個(gè)系統(tǒng)的控制效果確實(shí)得到了改善。 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(jì)了遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu)。在控制器的設(shè)計(jì)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(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，對通信環(huán)節(jié)用波變量方法進(jìn)行改造，并將這些模型進(jìn)行拉式變換。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(zhǔn)備。 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* 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 30 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 使用 Matlab 軟件的 Simulink 工具 包搭建系統(tǒng)模型，對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行模擬，驗(yàn)證波變量方法是否能夠很好的控制具有時(shí)延的遙操作系統(tǒng)。本文只分析具有固定時(shí)延的情況。 對波變量方法的驗(yàn)證 首先搭建一個(gè)運(yùn)用了波變量的通信環(huán)節(jié)，主端和從端都用方波發(fā)生器來模擬作用力。這個(gè)模型被用來驗(yàn)證波變量方法是否可以保證通信環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性。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。兩個(gè)示波器的波形如圖 52和圖 53 所示 。 在這個(gè)簡單的系統(tǒng)中，方波發(fā)生器被用來模擬主從端受到的力，雖然并不真實(shí)，但是通過這個(gè)系統(tǒng)，可以驗(yàn)證經(jīng)過波變量改造的通信環(huán)節(jié)是否穩(wěn)定。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(shí)具有無源性，整個(gè)系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 通過這個(gè)最簡單的系統(tǒng)，波變量方法的正確性得到了驗(yàn)證。接下來，更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型將被搭建，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。 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。圖 54就是一個(gè)更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人仿真模型。在這個(gè)仿真模型中，正弦波信號發(fā)生器被用來模擬主端操作者施加的力，然后根據(jù)公式（ ）— （ ）分別為主從端機(jī)器人、從端控制器以及從端環(huán)境建立傳遞函數(shù)模型，并運(yùn)用波變量方法改造通信環(huán)節(jié)。在這個(gè)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(dòng)。 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 32 圖 54 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)仿真模型 圖 55 力跟蹤結(jié)果 這是一個(gè)比較真實(shí)的系統(tǒng)模型，這個(gè)模型很完整而且有阻抗 匹配更加合理的波變量。但是仔細(xì)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(dòng)，尤其是速度跟蹤結(jié)果的波動(dòng)更大。前面的章節(jié)已經(jīng)說明，直接使用不經(jīng)改造的波變量會產(chǎn)生波反射，影響控制效果。仿真結(jié)果中力和速度的波動(dòng)，就是波反射造成的，這個(gè)結(jié)果很好地驗(yàn)證了前面章節(jié)中對波反射所作的理論分析。 在下面一節(jié)中，將在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)消除了波反射的系統(tǒng)模型，第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 33 以獲得更好的控制效果。 圖 56 速度跟蹤結(jié)果 消除了波反射的遙操作機(jī)器人仿真模型 在這本節(jié)中， 上一小節(jié)中的波變量環(huán)節(jié)將被改造，建立起一個(gè)消除了波反射的系統(tǒng)仿真模型，以獲得更好的控制效果。 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。這兩個(gè)阻抗經(jīng)過合適的匹配，可以消除波反射。為了對控制效果進(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。 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。當(dāng)給定信號的頻率提高到 50Hz 時(shí)，整個(gè)遙操作系統(tǒng)的控制效果就沒有在低頻率下理想。但是考慮到遙操作機(jī)器人的實(shí)際使用環(huán)境（如空間、深海、遠(yuǎn)程醫(yī)療等），一般不會出現(xiàn)頻率如此之高的情況。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) 35 給定正弦波發(fā)生器 50Hz 的頻率，結(jié)果如下： 圖 59 速度跟蹤結(jié)果（ 50Hz） 圖 510 力跟蹤結(jié)果（ 50Hz） 總 結(jié) 36 總 結(jié) 遙 操作機(jī)器人系統(tǒng)是人類實(shí)現(xiàn)自身能力延伸的工具。在遙操作機(jī)器人的幫助下，人類不用親臨現(xiàn)場，就可以完成一些極端環(huán)境中的工作。但是，由于操作者和從端機(jī)器人距離遙遠(yuǎn)，控制和反饋信號在通信環(huán)節(jié)的傳輸中有很大的延遲。大時(shí)延會給系統(tǒng)的控制效果帶來不利影響，甚至?xí)斐烧麄€(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，時(shí)延控制器的設(shè)計(jì)，是遙操作機(jī)器人研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。本文基于對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)傳輸時(shí)延的分析，采用無源控制算法和波變量方法對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制設(shè)計(jì)，通過仿真軟件對算法進(jìn)行驗(yàn)證。主要進(jìn)行了如下工作： （ 1）介紹遙操作機(jī)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(shí)延控制方法。在此基礎(chǔ)上，分析遙操作機(jī)器人系統(tǒng)產(chǎn)生時(shí)延的原因以及時(shí)延產(chǎn)生的影響。遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的時(shí)延主要產(chǎn)生于通信環(huán)節(jié)，由于本地操作者和遠(yuǎn)端機(jī)器人在空間上相距遙遠(yuǎn)，電磁波的傳輸速度有局限性，所以信號在通信環(huán)節(jié)會產(chǎn)生很大的時(shí)延。大時(shí)延的存在會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。 （ 2）基于電路的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，建立了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。在遙操作機(jī)器人模型的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用無源性方法，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。大時(shí)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(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。在這一分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用波變量方法對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。經(jīng)過波變量改造后的通信環(huán)節(jié)重新具有了無源性，系統(tǒng)獲得穩(wěn)定。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(jìn)行改造，消除了波反射。 （ 3）運(yùn)用 Matlab 仿真軟件對控制算法進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真中，本文分別對三種情況進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，波變量方法確實(shí)可以保證具有大時(shí)延的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性；運(yùn)用波變量方法設(shè)計(jì)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)是穩(wěn)定可控的，但是跟蹤結(jié)果有一定波動(dòng) ；在改造了波變量、消除波反射以后，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)獲得理想的控制效果。 參 考 文 獻(xiàn) 37 參 考 文 獻(xiàn) [1] 景興建，網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和規(guī)劃方法研究 [D]，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所博士論文， 2020 . 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