【正文】 人利用這些概念的綜合評價法設(shè)計遙操作系統(tǒng)[15]。 基于現(xiàn)代控制理論的方法加拿大多倫多大學(xué)的Strassberg和Goldembeng等人利用現(xiàn)代控制理論中的李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)分析遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性[14]。只有改造主從端之間的通信環(huán)節(jié)，使其具有無源傳輸線特性，才能從根本上確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。他將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進行類比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng)[13]。因此，遙操作機器人控制方法研究的核心問題，就是如何克服時延對系統(tǒng)性能的影響。為了提高操作性能，人們逐漸向系統(tǒng)中增加以力反饋為主的信息反饋，最后形成了雙向力反饋遙操作機器人系統(tǒng)（bilateral teleoperation）。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或更一般的離散事件系統(tǒng)表示?；祀s系統(tǒng)模型通常應(yīng)用于連續(xù)信號（如運動、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。 遙操作機器人的數(shù)學(xué)模型遙操作機器人的數(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)傳送來的遠程機器人的狀態(tài)，生成控制命令并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠程控制器；遠程控制器以時鐘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 采樣控制模型采樣控制模型是在計算機控制系統(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行融合決策、規(guī)劃、分解，然后產(chǎn)生對從端機器人的控制命令；網(wǎng)絡(luò)層根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行傳輸；從端控制層根據(jù)主端命令完成完成任務(wù)；物理層是機器人系統(tǒng)與外部環(huán)境。當(dāng)人們把這一技術(shù)運用于遙操作機器人系統(tǒng)時，便產(chǎn)生了基于Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。這些模塊有機結(jié)合，構(gòu)成了一個完整的遙操作機器人系統(tǒng)。它是為具有多個機器人的航天器復(fù)雜環(huán)境設(shè)計的，是遙操作機器人系統(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。 遙操作機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型遙操作機器人事實上是一個結(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)了空間機器人共享系統(tǒng)[5]，北京航空航天大學(xué)開發(fā)了基于 Internet 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)實技術(shù)的監(jiān)控式大時延機器人系統(tǒng)[9]，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國際互聯(lián)網(wǎng)的機器人實時跟蹤系統(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，我國的遙操作機器人技術(shù)從跟蹤世界先進水平起步，已經(jīng)發(fā)展到實現(xiàn)獨立自主地創(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)展計劃，即863計劃。在英法俄三國聯(lián)合完成的一項遙操作實驗中， 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 方式遠程訪問遙操作機器人，運用數(shù)據(jù)手套控制機器人運動。虛擬現(xiàn)實（VR）是一種多傳感融合的多媒體集成計算機系統(tǒng)，它可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界。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，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磅負載。運用這套系統(tǒng)，操作者甚至能夠控制機器人建設(shè)月球基地，挖掘月球巖石。2004年美國國家航空和宇宙航行局(NASA)相繼發(fā)射了“勇氣號”和“機遇號”火星車，它們登陸火星后，在火星表面開展了多項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器人。這一技術(shù)的深入發(fā)展給遙操作機器人的研究注入了嶄新的活力。90年代以后，機器人技術(shù)開始與其它領(lǐng)域交叉。遙操作機器人自誕生至今，已經(jīng)有60多年的歷史。 遙操作機器人的發(fā)展上世紀(jì)四十年代，F(xiàn)ermi領(lǐng)導(dǎo)他的團隊在Argonne國家實驗室進行核試驗，設(shè)計了一套用于處理核廢料的主從式遙操作機器人系統(tǒng)[2]。也就是說，“遙科學(xué)”事實上只是一種技術(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端，進而實現(xiàn)對遠端事物的操作和控制，這就是遙操作技術(shù)的特點。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)境進行探索時，受目前技術(shù)條件的限制，人類還不能輕易到達；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)展進步，人類的探索領(lǐng)域不斷拓展?！斑b操作”不同于“遙控”，由于“遙操作”屬于遠距離操作，因此遙操作機器人必須能夠把遠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 network passive control目 錄目 錄第一章 緒論 1 遙操作機器人的意義 1 遙操作機器人的發(fā)展 2 遙操作機器人的系統(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 遙操作機器人的數(shù)學(xué)模型 7 遙操作機器人的時延控制 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 遙操作機器人的體系結(jié)構(gòu) 11 遙操作機器人系統(tǒng)等效成二端口網(wǎng)絡(luò) 13 本章小結(jié) 15第三章 遙操作機器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計 16 無源性理論 16 遙操作機器人的穩(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 遙操作機器人的總體控制設(shè)計 26 遙操作機器人的控制器設(shè)計 26 遙操作機器人的總體控制結(jié)構(gòu) 28 本章小結(jié) 29第五章 系統(tǒng)仿真實驗 30 對波變量方法的驗證 30 更加真實的遙操作機器人仿真模型 31 消除了波反射的遙操作機器人仿真模型 33總 結(jié) 36參 考 文 獻 37致 謝 39第一章 緒論第一章 緒論 遙操作機器人的意義遙操作機器人(Teleoperation)是一種完成比較復(fù)雜操作的遠距離操作系統(tǒng)。最后，運用Matlab軟件對控制算法進行仿真模擬。然后，基于遙操作機器人的二端口網(wǎng)絡(luò)模型，分析了時延對遙操作機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器人的時延控制問題。遙操作機器人是機器人學(xué)與通信技術(shù)、控制理論等融合的產(chǎn)物。摘 要遙操作機器人理論本科畢業(yè)設(shè)計摘 要隨著探索領(lǐng)域的不斷拓展，人類對機器人的需求越來越大。當(dāng)需要在一些人類難以到達或者危險的環(huán)境中完成復(fù)雜任務(wù)時，普通機器人往往難以勝任，這時遙操作機器人就應(yīng)運而生。它將人類的指導(dǎo)和機器自身的智能相結(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，并為遙操作機器人建立了二端口網(wǎng)絡(luò)模型。接著，運用無源控制理論中的波變量方法，設(shè)計遙操作機器人系統(tǒng)的控制算法。關(guān)鍵詞： 機器人 遙操作 二端口 無源控制 IV ABSTRACTABSTRACTWith 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 theory. Teleoperation which bines human supervisor and machine intelligence effectively expands the space of human activity and extends human capability, so it has extensive application prospects.This paper mainly studies the control of time delay teleoperation. First