【正文】 ation）。除了距離的原因會造成時延外，大容量信息的壓縮 /復(fù)現(xiàn)、編碼 /解碼及信息載波傳輸帶寬的限度都會造成時延。由于電磁波的傳輸速度以及信號收發(fā)處理等方面的局限性，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)存在時延，而且往往較大，不能忽略。 采樣系統(tǒng)模型為遙操作機(jī)器人建立一個離散的采樣模型，使用離散的控制方法來分析研究系統(tǒng)的各方面性能。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(jī)或更一般的離散事件系統(tǒng)表示。 混雜系統(tǒng)模型通常應(yīng)用于連續(xù)信號（如運(yùn)動、力等）和離散信號（如狀態(tài)邏輯切換等）同時存在的網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)中。目前 比較有代表性的數(shù)學(xué)模型有：形式化模型、混雜系統(tǒng)模型、雙端口網(wǎng)絡(luò)模型、采樣系統(tǒng)模型等。 遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型 遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型是在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上建立起來的。在本地，命令產(chǎn)生器將命令傳送給本地控制器 ，本地控制器以時鐘 Clock1 為周期，采樣命令產(chǎn)生器產(chǎn)生的命令和通過網(wǎng)絡(luò)傳送來的遠(yuǎn)程機(jī)器人的狀態(tài)，生成控制命令并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制器；遠(yuǎn)程控制器以時鐘 Clock2 為周期，采樣本地控制器的控制命令并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送機(jī)器人狀態(tài)給本地控制器。 圖 13 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 采樣控制模型 圖 14 采樣控制模型 第一章 緒論 7 采樣控制模型是在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人。離散事件部分包括對象的離散狀態(tài)、對混雜對象的事件驅(qū)動、混雜對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)等；接交互層 主控層 網(wǎng)絡(luò)層 從端控制層 物理層 交互 Agent 主控 Agent 機(jī)器人系統(tǒng) n 從端 Agent n 從端 Agent2 機(jī)器人系統(tǒng) 2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 從端 Agent1 機(jī)器人系統(tǒng) 1 操作者 其它 Agent 第一章 緒論 6 口部分的事件生成器將連續(xù)變量轉(zhuǎn)化 為離散變量，執(zhí)行器將離散變量轉(zhuǎn)換為受控對象的輸入信號；連續(xù)動態(tài)部分由機(jī)器人系統(tǒng)的連續(xù)動力學(xué)方程描述。如圖 12所示：交 互層實(shí)現(xiàn) 操作者和 Agent 之間的交互；主控層對交互層傳來的信息進(jìn)行融合決策、規(guī)劃、分解，然后產(chǎn)生對從端機(jī)器人的控制命令；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸；從端控制層根據(jù)主端命令完成完成任務(wù)；物理層是機(jī)器人系統(tǒng)與外部環(huán)境。當(dāng)人們把這一技術(shù)運(yùn)用于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)時，便產(chǎn)生了基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。這些模塊有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了一個完整的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。它是為具有多個機(jī)器人的航天器復(fù)雜環(huán)境設(shè)計(jì)的，是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)模型的典型代表。目前比較有代表性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型有： NASREM 遙操作控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、基于 Agent 的結(jié)構(gòu)模型、混雜控制結(jié)構(gòu)模型、采樣控制結(jié)構(gòu)模型等。 遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 遙操作機(jī)器人事實(shí)上是一個結(jié)構(gòu)龐大而松散的系統(tǒng)。 中科院沈陽自動化研究所研制了主從異構(gòu)的監(jiān)控遙操作系統(tǒng) [4]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā) 了空間機(jī)器人共享系統(tǒng) [5]，北京航空航天大學(xué)開發(fā)了基于 Inter 的遙操作系統(tǒng) [6]，南開大學(xué)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的主從式遙操作平臺 [7]，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng) [8]，國防科技大學(xué)開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的監(jiān)控式大時延機(jī)器人系統(tǒng) [9]，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人實(shí)時跟蹤系統(tǒng) [10]，東南大學(xué)開發(fā)了力覺臨場感遙操作系統(tǒng) [11]。經(jīng)過科技工作者三十多年的艱苦奮斗，我國的遙操作機(jī)器人技術(shù)從跟蹤世界先進(jìn)水平起步，已經(jīng)發(fā)展到實(shí)現(xiàn)獨(dú)立自主地創(chuàng)新研發(fā)，在空間、海洋、教學(xué)等領(lǐng)域都取得了廣泛的研究成果。 1986 年，我國制定了國家高技術(shù)發(fā) 展計(jì)劃，即 863 計(jì)劃。在英法俄三國聯(lián)合完成的一項(xiàng)遙操作實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)程訪問遙操作機(jī)器人，運(yùn)用數(shù)據(jù)手套控制機(jī)器人運(yùn)動。虛擬現(xiàn)實(shí)（ VR）是一種多傳感融合的多媒體集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界。每只手有 12 個自由度，其中拇指 4 個自由度，食指和中指各 3 個自由度，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。它能夠以 2m/s 的速度移動手臂，單臂可以在有重力條件下以任何姿態(tài)承擔(dān) 20 磅負(fù)載。運(yùn)用這套系統(tǒng)，操作者甚至能夠控制機(jī)器人建設(shè)月球基地，挖掘月球巖石。2020 年美國國家航空和宇宙航行局 (NASA)相繼發(fā)射了“勇氣號”和“機(jī)遇號”火星車，它們登陸火星后，在火星表面開展了多項(xiàng)探測活動并傳回火星表面的照片。上世紀(jì)九十年代，德國研制了空間機(jī)器人 ROTEX，地面工作人員和空間站內(nèi)的宇航員都可以操作 ROTEX，這是人類歷史上第一個空間遙操作機(jī)器人。這一技術(shù)的深入發(fā)展給遙操作機(jī)器人的研究注入了嶄新的活力。 90 年代以后，機(jī)器人技術(shù)開始與其它領(lǐng)域交叉。遙操作機(jī)器人自誕生至今，已經(jīng)有 60 多年的歷史。 遙操作機(jī)器人的發(fā)展 上 世紀(jì)四十年代， Fermi 領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)在 Argonne 國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行核試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一套用于處理核廢料的主從式遙操作機(jī)器人系統(tǒng) [2]。也就是說，“遙科學(xué)”事實(shí)上只是一種技術(shù)應(yīng)有，是一種基于特殊操作模式的技術(shù)應(yīng)用。 事實(shí)上，在早期我國科技工作者一般把“遙操作”稱 為“遙科學(xué)”。將操作者作用于主端的命令和行為傳遞到遠(yuǎn)端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)端事物的操作和控制，這就是遙操作技術(shù)的特點(diǎn)。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在日常生產(chǎn)和生活中的深入發(fā)展，人們也希望通過互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程操作彼端事物的動作和行為，打破空間的阻礙，使人類的能力得以延伸。比如， 在空間和深海環(huán)境進(jìn)行探索時，受目前技術(shù)條件的限制，人類還不能輕易到達(dá)；在高空、核及生化環(huán)境開展作業(yè)時，由于這些環(huán)境有害人體健康，人類不能直接進(jìn)入；在煤礦、建設(shè)以及軍事戰(zhàn)場等惡劣環(huán)境中，隨時會有危險發(fā)生，人類應(yīng)盡量減少在這些環(huán)境中的存在。 隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，人類的探索領(lǐng)域不斷拓展。“遙操作”不同于“遙控”，由于“遙操作”屬于遠(yuǎn)距離操作，因此遙操作機(jī)器人必須能夠把遠(yuǎn)端的工作信息反饋給操作者，也就是說，“遙操作”必須具備“知覺反饋”能力。主端機(jī)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(jī)器人，然后由從端作用于環(huán)境。s more, using wave variable method of the passive control theory, control algorithm off teleoperation is designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm. Keywords: robotics teleoperation twoport work passive control目 錄 III 目 錄 第一章 緒論 ............................................. 1 遙操作機(jī)器人的意義 ............................... 1 遙操作機(jī)器人的發(fā)展 ............................... 2 遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ........................ 3 NASREM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 .......................... 4 基于 Agent 的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 .................... 5 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 ............................ 5 采樣控制模型 ................................ 6 遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型 ........................... 7 遙操作機(jī)器人的時延控制 ........................... 8 基于電路理論的無源控制方法 .................. 8 基于現(xiàn)代控制理論的方法 ...................... 8 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的控制方法 .................. 9 基于事件的控制方法 .......................... 9 本文主要研究內(nèi)容 ................................. 9 第二章 遙操作機(jī)器人的動力學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型 ............... 11 二端口網(wǎng)絡(luò)理論 .................................. 11 遙操作機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) .......................... 11 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)等效成二端口網(wǎng)絡(luò) ................. 13 本章小結(jié) ........................................ 15 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) ................... 16 無源性理論 ...................................... 16 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析 ........................ 18 基于波變量的矯正方法 ............................ 19 阻抗匹配 ........................................ 21 透明性問題 ...................................... 22 透明性的定義 ............................... 22 時延對透明性的影響 ......................... 23 本章小結(jié) ........................................ 25 第四章 遙操作機(jī)器人的總體控制設(shè)計(jì) ....................... 26 遙操作機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì) ........................ 26 遙操作機(jī)器人的總體控制結(jié)構(gòu) ....................... 28 本章小結(jié) ........................................ 29 第五章 系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) ..................................... 30 對波變量方法的驗(yàn)證 .............................. 30 目 錄 IV 更加真實(shí)的遙操作機(jī)器人仿真模型 ................... 31 消除了波反射的遙操作機(jī)器人仿真模型 ............... 33 總 結(jié) ................................................. 36 參 考 文 獻(xiàn) ............................................ 37 致 謝 ................................................. 39 第一章 緒論 1 第一章 緒論 遙操作機(jī)器人的意義 遙操作機(jī)器人 (Teleoperation)是一種完成比較復(fù)雜操作的遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。最后，運(yùn)用 Matlab 軟件對控制算法進(jìn)行仿真模擬。然后，基于遙 操作機(jī)器人的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，分析了時延對遙操作機(jī)器人控制效果的不利影響，以及產(chǎn)生這些不利影響的原因。 本文主要研究遙操作機(jī)器人的時延控制問題。遙操作機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)與通信技術(shù)、控制理論等融合的產(chǎn)物。摘 要 I 遙操作機(jī)器人理論本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 摘 要 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。當(dāng)需要在一些人類難以到達(dá)或者危險的環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù)時，普通機(jī)器人往往難以勝任，這時遙操作機(jī)器人就應(yīng)運(yùn)而生。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空間，延伸了人類的能力，有廣泛的應(yīng)用前景。首先，簡要介紹了遙操作機(jī)器人的發(fā)展和現(xiàn)狀，介紹了二端口網(wǎng)絡(luò)理論，并為遙操作機(jī)器人建立了二端口網(wǎng)絡(luò)模型。接著，運(yùn)用無源控制理論中的波變量方法，設(shè)計(jì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制算法。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 遙操作 二端口 無源控制ABSTRACT II ABSTRACT With the exploration of the area continues to expand, the human demand on the robot is more and more big. When the need in some human inaccessible or dangerous environment to perform plex tasks, often difficult to do ordinary robot, teleoperation will emerge as the times require. Teleoperation is a fusion of robotics, munication technology and control