【正文】 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。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(hào)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)。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(huì)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，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：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(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(huì)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。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)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(hào)在通信環(huán)節(jié)的傳輸中有很大的延遲。大時(shí)延會(huì)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(hào)在通信環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生很大的時(shí)延。大時(shí)延的存在會(huì)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)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，2005 .[2] R. Goertz, and . “Electronically controlled manipulator”.Nucleonics, 12(11): 4647,Nov. 1954 .[3] 徐旭明，葉榛，陶品，等，基于視覺臨場感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)[J]，高技術(shù)通訊，2000，10(3)：5760．[4] 戴炬，異機(jī)構(gòu)遙控主從手的雙向力反映[J]，控制理論與應(yīng)用，1996，13：259261．[5] 郭舫舫，趙杰，蔡鶴皋，一個(gè)基于阻抗矩陣的雙向力反應(yīng)遙操作系統(tǒng)模型[J]，機(jī)電工程，1998，(2)：4344．[6] 游松，基于國際互聯(lián)網(wǎng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究[D]，北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，2000：118．[7] 馬宏鵬，安剛，趙新，等，基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)平臺(tái)[J]，自動(dòng) 化與儀表，2000，15(6)：37．[8] 任昊星，翁海華，楊楊，等，基于 Web 的機(jī)器人遙操作的研究與實(shí)現(xiàn)[J]，計(jì)算機(jī)工程，1999，25(5)：6465．[9] 韋慶，李杰，基于事件反饋的機(jī)器人監(jiān)控技術(shù)及其在大時(shí)延遙操作中的應(yīng)用[C]，空間機(jī)器人及遙科學(xué)技術(shù)研討會(huì)論文集，1999：307313．[10] 吳國釗，傅雪冬，裴海龍，基于 Internet 的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)[J]，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2000，(1)：2426．[11] 丁希侖，李海濤，解玉文，等，基于 Internet 的擬人雙臂機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的研究[J]，高技術(shù)通訊，2006，16(8)：808812．[12] W. R. Ferrell. “Remote manipulation with transmission delay”. IEEE trans. Human Factors in Electronics, HFE6, No. 1, 1965.[13] Raju G. “Design issue in 2port networks models of bilateral remote manipulation”[J]. IEEE Trans on AutoControl , 1989,34(3):13161321.[14] Strassbrg Y , Goldenberg A A, Mills T K.“ A new control scheme for bilateral teleoperating system: lyapunov stability analysis”[A]. Proc of the IEEE Int Conf on Rob and Auto [C]. Nice, France, 1992: 837842.[15] Lawrence DA. “Stability and transparency in bilateral teleoperation”[J]. IEEE Trans. on Rob. and Auto. , 1993, 9(5): 624637.[16] Elhagg I, Xi Ning, Liu Yun Hui. “Realtime control of internet based teleoperation with force reflection”. In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. San Francisco, CA:2000,32843289.[17] Xi N, Tarn T J. “Action synchronization and control of internet based telerobotic systems”. In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Detroit, Michigan:.[18] 邱關(guān)源，羅先覺，電路（第五版）高等教育出版社，2006,5(2009重印)：418419．[19] Anderson R J, Spong M W. “Bilateral Control of Teleoperators With Time Delay”[J]. IEEE Transactions on Automation Control. 1989,34(4):494501.[20] G. Niemeyer, and . Slotine. “Stable Adaptive Teleoperation” [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering , 16(1):152162, 1991.[21] 劉寒冰，趙丁選，臨場感遙操作機(jī)器人綜述[J]，技術(shù)應(yīng)用，2004(1)：4245．[22] 宋娟，網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制[D]，吉林大學(xué)碩士論文，2009．[23] Minyan Shi Gang, Hong Liu and J. Hunter Downs.“ Adaptive control of Teleoperation Systems”[J].Proceeding of the 38th Conference on Decision amp。 Control. Phoenix, Arizona USA. December 1999:791796.[24] 李琳輝，大時(shí)延主從遙操作系統(tǒng)雙向控制與共享控制[D]，吉林大學(xué)碩士論文，2005．致 謝致 謝