【正文】 定性和透明性的要求，設計出合理適中的遙操作機器人系統(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。對于最大工作帶寬Wmax 一定的系統(tǒng)，隨著時延的增大，系統(tǒng)的透明性以周期的形式降低，當T → k π/ 2Wmax，系統(tǒng)的透明性最差[22]。當通訊環(huán)節(jié)存在時間延時T時，操作者感知到的阻抗可表示為：可以看出，通信時延造成了環(huán)境阻抗傳遞過程中質(zhì)量、阻尼和剛度的嚴重非線性失真。由此，可以給出遙操作機器人系統(tǒng)透明性的定量評價指標[24]： （） （）其中Wmax是系統(tǒng)的最大工作帶寬。但是在實際系統(tǒng)中，不可能實現(xiàn)完全的透明性，這就需要對控制器進行適當?shù)脑O計來保證系統(tǒng)良好的透明性。如果從端能夠在速度和位置上對主端實現(xiàn)完全跟蹤（即Vs=Vm,Xs=Xm），那么由Zh=Ze就能得出Fh=Fe。 （）這就說明，在一個透明的遙操作機器人系統(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： （）環(huán)境阻抗： （）[23]：假設在頻域中，操作者“感知”的阻抗可以被定義為式（）形式。但是，遙操作機器人的操作性能有好壞之分，也就是說，對它的透明性不能僅僅做定性的分析，還應該進行定量分析。如果從端機器人的力感知信息經(jīng)過通信時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情況（即操作者具有臨場感），那么操作者就可以準確實時地處理從端機器人的操作任務。操作者的操縱質(zhì)量與對遠地環(huán)境力覺信息的獲取能力密切相關。遙操作機器人主要用于危險、惡劣或者人類無法到達的環(huán)境中。臨場感技術包括視覺臨場感和力覺臨場感。透明性是指遙操作機器人系統(tǒng)具有臨場感。 透明性問題 透明性的定義對于遙操作機器人系統(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，附加的阻抗應該直接與系統(tǒng)中的力信號和速度信號相關聯(lián)。波反射不包含任何有用的信息，而且要經(jīng)過長時間的往復反射才能消失，這就會對整體控制產(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器人時，在主端和從端，同樣會發(fā)生波反射[20]。這個新的通信環(huán)節(jié)用波變量來代替原先的功率變量，不論時延T有多大，都可以保證整個遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于這個新的通信模塊，可以得出它H參數(shù)二端口模型： （）因此有 （）因此有，改造后的通信環(huán)節(jié)是無源的。經(jīng)過矯正后通信環(huán)節(jié)的結構框圖如下所示：FlFrVrVlFsVsdFmdVmb通信介質(zhì)圖32 引入波變量控制器后的通信環(huán)節(jié)引入的波變量用等式的形式可以表示如下： （）因此，圖32整體所表示的就是一個新的通信環(huán)節(jié)，這個通信環(huán)節(jié)不僅僅發(fā)生信號的延時，經(jīng)過延時之后的信號還要經(jīng)過一次改造，以保證系統(tǒng)的無源性。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聯(lián)的阻抗模塊，構成波變量控制器。該方法通過為通信環(huán)節(jié)設計一個矯正模塊，使其具有無源性。 基于波變量的矯正方法無源控制理論雖然可以分析遙操作機器人的穩(wěn)定性，并指出不穩(wěn)定的原因，但是還沒有直接給出保證系統(tǒng)無源的方法。進行拉式變換后，將其表示成混合矩陣的形式有： （） （），散射算子S的形式如下： （）： 也即：。接下來考慮通信環(huán)節(jié)存在時延的情況，本文僅分析具有固定時延T的遙操作機器人。如果通信環(huán)節(jié)沒有時延，那么主端機器人的運動速度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）。對于如圖23所示的雙邊遙操作機器人而言，主從端機器人都是具有無源性的，因此它們都是穩(wěn)定的系統(tǒng)，不穩(wěn)定因素由通信環(huán)節(jié)的時延產(chǎn)生。因此，利用無源性理論來分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就是要分析組成整個系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)是否無源。 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。：一個二端口網(wǎng)絡是無源的，當且僅當其散射算子S（s）滿足也即： （）證明：如果，那么，這就說明。：散射算子 S： 定義為：在一個雙端口網(wǎng)絡中，散射矩陣可以用混合矩陣H（S）來表示： （）同時： （）將（）和（）聯(lián)立，就可以得到： （）S就是二端口網(wǎng)絡的散射算子，式（）表明它可以用二端口網(wǎng)絡的混合參數(shù)矩陣H（s）表示。如圖31所示，兩個二端口網(wǎng)絡串聯(lián)在一起。I2I2U2A13339。139。如果一個系統(tǒng)是無源的，那么這個系統(tǒng)只消耗能量而不產(chǎn)生能量。式（）表明這個二端口網(wǎng)絡只消耗能量，不增加能量。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。無源性理論是用于分析電路系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論。第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設計第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設計 無源性理論本章將基于無源性理論來分析遙操作機器人的穩(wěn)定性。這樣，遙操作機器人中的力和速度就可以轉(zhuǎn)化為電壓和電流，主從端以及環(huán)境都可以轉(zhuǎn)化為電路系統(tǒng)中的阻抗。 本章小結本章簡要介紹了二端口網(wǎng)絡理論。不穩(wěn)定的原因在于傳輸環(huán)節(jié)的時延，由于時延的存在，傳輸環(huán)節(jié)不具有無源性，因此是不穩(wěn)定的。l 線性二端口傳輸介質(zhì)：對應這系統(tǒng)中有時滯的傳輸介質(zhì)，對應圖24（e）根據(jù)遙操作機器人的動力學模型和二端口網(wǎng)絡等效原理，可以畫出遙操作機器人的等效電路模型：FhZm時延ZsZcZeFmdFsFe++++VmVsdVs圖25 遙操作機器人的等效電路模型其中，Zm和Zs分別是主從端機器人的等效阻抗，Zc表示從端控制器的等效阻抗，Ze表示環(huán)境阻抗。l 阻尼元件B：對應速度反饋或者粘滯摩擦，輸入輸出關系如下： （）它與圖24（c）對應。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：l 慣性元件M：對應著主從端機器人的質(zhì)量，輸入輸出關系如下： （）它與圖24（a）對應。在后面的章節(jié)中，我們將運用無源性理論對遙操作機器人的穩(wěn)定性進行分析。根據(jù)二端口網(wǎng)絡的相關理論，遙操作系統(tǒng)的每一個二端口子系統(tǒng)都可以用H參數(shù)矩陣表征： （）方程（）是二端口網(wǎng)絡H參數(shù)矩陣的拉氏變換形式，二端口網(wǎng)絡的特性只與其混合參數(shù)矩陣H有關。環(huán)境通信環(huán)節(jié)從端主端操作者Vm+FhVm+FmdVsd+Fs+FeVs 遙操作機器人系統(tǒng)等效成二端口網(wǎng)絡圖23 遙操作機器人的等效二端口網(wǎng)絡美國學者Anderson和Spong指出，將遙操作機器人系統(tǒng)與機械和電力系統(tǒng)類比，就可以把遙操作系統(tǒng)看作一個二端口網(wǎng)絡[19]。Mm和Ms分別是主從端機器人的質(zhì)量系數(shù)；Bm和Bs分別是主從端機器人的慣性系數(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)。Fh是操作者施加的力，由操作者根據(jù)感覺給出；Fmd是從端反饋回主端的力；Fs是從端機器人施加的力，它由從端機器人內(nèi)部的控制算法決定；Fe是環(huán)境與從端機器人之間的作用力。如此，建立遙操作機器人系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的動力學方程如下：操作者與主端機器人相互作用的動力學模型： （） 從端機器人與工作環(huán)境相互作用的動力學模型： （） 工作環(huán)境的動力學模型： （） 以上就是遙操作機器人系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動力學模型?？梢缘玫饺鐖D22所示的體系結構框圖。這里研究一個雙邊力反饋遙操作機器人系統(tǒng)。在遙操作機器人的研究中，經(jīng)常使用二端口網(wǎng)絡的H參數(shù)（即二端口的混合參數(shù)）來表征機器人模型的特性。如果確定了表征這個二端口的參數(shù)，那么當一個端口的電壓或者電流發(fā)生變化時，就可以非常容易地找出另一個端口上的電壓和電流。 流出的電流，這種電路稱為二端口網(wǎng)絡[18]。I1I2I2U1U2I1圖21 二端口網(wǎng)絡如圖21所示，如果有兩對端子滿足端口條件，即對于所有時間t，從端子1流入方框的電流等于從端子139。 43 第二章 遙操作機器人的動力學模型和數(shù)學模型第二章 遙操作機器人的動力學模型和數(shù)學模型 二端口網(wǎng)絡理論1139。第4章 在前面各章分析和設計的基礎上，設計遙操作機器人系統(tǒng)的總體控制結構，建立框圖模型，為仿真模擬做準備。第3章 介紹無源控制理論，在遙操作機器人系統(tǒng)二端口網(wǎng)絡模型的基礎上，首先運用無源性方法對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，然后再運用波變量方法對系統(tǒng)進行無源化矯正。本文的主要工作如下：第1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。 本文主要研究內(nèi)容通過對遙操作機器人系統(tǒng)的介紹，本文闡述了設計遙操作機器人時延控制器的原因。因此，系統(tǒng)的運動規(guī)劃過程變?yōu)閷崟r過程，具有自適應特性，可以得到優(yōu)良的控制效果。與傳統(tǒng)的以時間為參變量的方法不同，這種方法引入一個隨控制過程的進行而實時更新的參變量。 基于事件的控制方法如果遙操作系統(tǒng)的時延過大或者不可預測地隨即產(chǎn)生，那么傳統(tǒng)控制方法很難達到預期控制效果。借助各種傳感設備，操作者“進入”到計算機創(chuàng)造的遠端環(huán)境中, 這樣操作者能夠產(chǎn)生身臨其境的感覺，非常自然地操縱遠端機器人。而現(xiàn)代控制理論又不甚完善，這使基于現(xiàn)代控制理論的方法有很多問題不能解決。Leung和Francis等