【正文】 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(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所博士論文， 2020 . [2] R. Goertz, and . “ Electronically controlled manipulator” .Nucleonics, 12(11): 4647,Nov. 1954 . 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[13] Raju G. “ Design issue in 2port works models of bilateral remote manipulation” [J]. IEEE Trans on AutoControl , 1989,34(3):13161321. 參 考 文 獻(xiàn) 38 [14] Strassbrg Y , Goldenberg A A, Mills T K.“ A new control scheme for bilateral teleoperating system: lyapunov stability ana。在仿真中，本文分別對(duì)三種情況進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，為了使穩(wěn)定的系統(tǒng)有更好的控制效果，又對(duì)波變量進(jìn)行改造，消除了波反射。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)延的存在會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制效果。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。本文基于對(duì)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(duì)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(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。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。在遙操作機(jī)器人的幫助下，人類不用親臨現(xiàn)場(chǎng)，就可以完成一些極端環(huán)境中的工作。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。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。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。 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(duì)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。 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。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。 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。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)。 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。 通過這個(gè)最簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，波變量方法的正確性得到了驗(yàn)證。 在這個(gè)簡(jiǎn)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。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。 對(duì)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。 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(duì)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)。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(duì)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。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。 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)。因此，可以選用 PI 控制算法來對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行控制。 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”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。 （ 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。它的控制作用是隨時(shí)間逐步積累的，動(dòng)作比較遲緩，對(duì)系統(tǒng)暫態(tài)特性不利。只要有偏差，控制器輸出就不斷地變化；偏差存在的時(shí)間越長(zhǎng)，輸出的變換量就越大；當(dāng)輸入偏差信號(hào)為零時(shí)，其輸出就不再變化而維持在某一恒值上，故積分控制作用的特點(diǎn)就是力圖消除穩(wěn)態(tài)誤差。相應(yīng)的比例控第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 27 制器時(shí)域中的輸入輸出關(guān)系為： ??? tip dteKteKtu 0 )()()( ? 將上式進(jìn)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。在控制系統(tǒng)中使用比例控制器，只要被調(diào)量偏離給定值，控制器就能及時(shí)地產(chǎn)生一個(gè)與偏差成比例的控制信號(hào)作用于受控系統(tǒng)來消除偏差，由于比例控制的這種及時(shí)控制作用，故在實(shí)際控制系統(tǒng)中通常都含有比例控制環(huán)節(jié)。 對(duì)從端機(jī)器人，我們采用 PID 算法進(jìn)行控制。 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（ ） — （ ），重寫如下： mmmmmdh VBVMFF ??? ? （ ） sssSes VBVMFF ??? ? （ ） dtVKVBVMF seSesee ???? ? （ ） 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。 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) 26 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)使其重新成為無源傳輸線的辦法。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。由于時(shí)延的存在，通信環(huán)節(jié)原本的無源性被改變，成為一個(gè)有源傳輸線。所以在遙操作機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，需要要綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性的要求，設(shè)計(jì)出合理適中的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。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。對(duì)于最大工作帶寬 Wmax 一定的系統(tǒng)，隨著時(shí)延的增大，系統(tǒng)的透明性以周期的形式降低，當(dāng) T → k π / 2Wmax，系統(tǒng)的透明性最差 [22]。 wTwMwTjw MjwZ eeh ?? )2s in ()2s in ()2c o s ( wTwKwTjBwTB eee ??? )2cos( wTjwKe? 可以看出，通信時(shí)延造成了環(huán)境阻抗傳遞過程中質(zhì)量、阻尼和剛度的嚴(yán)重非線性失真。 當(dāng)通訊環(huán)節(jié)存在時(shí)間延時(shí) T 時(shí) ，操作者感知到的阻抗可表示為： TseTsmdTssmmdh eZeV eFVFZ 239。由此，可以給出遙操作機(jī)器人系統(tǒng)透第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 24 明性的定量評(píng)價(jià)指標(biāo) [24]： ?? ??m a xm a x0202)()()(WeWehdwjwZdwjwZjwZP )0( ?hZ （ ） dwjwZP W h 200 m a x )(?? )0( ?eZ （ ） 其中 Wmax是系統(tǒng)的最大工作帶寬。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)來保證系統(tǒng)良好的透明性。如果從端能夠在速度和位置上對(duì)主端實(shí)現(xiàn)完全跟蹤（即 Vs=Vm,Xs=Xm），那么由 Zh=Ze就能得出 Fh=Fe。 eh ZZ? （ ） 這就說明，在一個(gè)透明的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，操作者能夠在主端獲得從端與環(huán)境直接作用的力感覺信息。 下面給出透明性的具體定義： 結(jié)合遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)模型和動(dòng)力學(xué)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。但是，遙操作機(jī)器人的操作性能有好壞之分，也就是說，對(duì)它的透明性不能僅僅做定性的分析，還應(yīng)該進(jìn)行定量分析。如果從端機(jī)器人的力感知信息經(jīng)過通信時(shí)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(shí)情況（即操作者具有臨場(chǎng)感），那么操作者就可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地處理從端機(jī)器人的操作任務(wù)。操作者的操縱質(zhì)量與對(duì)遠(yuǎn)地環(huán)境力覺信息的獲取能力密切相關(guān)。 遙操作機(jī)器人主要用于危險(xiǎn)、惡 劣或者人類無法到達(dá)的環(huán)境中。臨場(chǎng)感技術(shù)包括視覺臨場(chǎng)感和力覺臨場(chǎng)感。 透明性是指遙操作機(jī)器人系統(tǒng)具有臨場(chǎng)感。 透明性問題 透明性的定義 對(duì)于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)而言，除了要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性之外，還要使系統(tǒng)具有良好的操作性。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(yīng)該直接與系統(tǒng)中的力信號(hào)和速度信號(hào)相關(guān)聯(lián)。波反射不包含任何有用的信息，而且要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的往復(fù)反射才能消失，這就會(huì)對(duì)整體控制產(chǎn)生干擾，影響控制效果。由于波變量控制器將速度和力信號(hào)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。為了避免反射對(duì)控制效果產(chǎn)生的不利影響，需要想辦法消除這種反射。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]。這個(gè)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(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。對(duì)于這個(gè)新的通信模塊，可以得出它 H 參數(shù)二端口模型： ?????????????? 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