【正文】 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. Firstly, this paper briefly describes the development status of the teleoperation and twoport work theory and builds a twoport work model for teleoperation. Secondly, based on the twoport work model of teleoperation, an analysis which is related to the adverse effect of the time delay in teleoperation control and the causes of these adverse effects is made. What39。它由 操作者、主端機(jī)器人子系統(tǒng)、通信環(huán)節(jié)、從端機(jī)器人子系統(tǒng)和工作環(huán)境組成。從端和環(huán)境的相關(guān)信息則經(jīng)由上述環(huán)節(jié)返還到操作者，使操作者有身臨其境的感覺，從而有效完成操作任務(wù)。事實(shí)上，遙操作技術(shù)就是一種“橋梁”，它彌平了 操作者與被操作物體在物理空間上的鴻溝，通過將人與實(shí)驗(yàn)終端構(gòu)成一個(gè)閉合的控制回路 ,跨越空間距離而最終實(shí)現(xiàn)了人類能力的延伸。但是，在許多極端環(huán)境下，人類無法直接開展工作。在以上這些情況下，人們希望能夠在安全的環(huán)境中，通過遠(yuǎn)程控制 ，完成極端環(huán)境下的工作。因此，遙操作技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。其優(yōu)越性就在于，可以極大地提高操作者的安全性和工作效率，降低成本，更高效合理地利用人力和物質(zhì)資源，實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)作業(yè)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、遙規(guī)劃和控制以及遠(yuǎn)程信息（如感知） 互動(dòng)等 [1]。但是所謂“遙科學(xué)”并不具備它作為“科學(xué)”所應(yīng)有的哲學(xué)范疇，僅僅是一種特殊的操第一章 緒論 2 作模式。因此，我國目前都把這種技術(shù)稱為“遙操作”，而基本不再講“遙科學(xué)”。這標(biāo)志著遙操作機(jī)器人的誕生。它的技術(shù)發(fā)展歷程大致可以分為兩個(gè)階 段： 第一階段表現(xiàn)為驅(qū)動(dòng)方式的進(jìn)步，從機(jī)械聯(lián)動(dòng)到電動(dòng)伺服，遙操作機(jī)器人最終確定了雙向力反饋主從操作的模式，這一階段的遙操作機(jī)器人主要應(yīng)用于航天領(lǐng)域及核工業(yè)；第二階段表現(xiàn)為控制方式的進(jìn)步，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、人工智能以及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)與它們相互融合，最終產(chǎn)生了計(jì)算機(jī)輔助遙操作，即第二代遙操作技術(shù)。特別是機(jī)器人與計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的交叉，產(chǎn)生了基于 Inter 的機(jī)器人控制技術(shù)。 近年來， 遙操作機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，在空間探索領(lǐng)域更是大顯身手。 2020 年日本國家空間研究所 (NASDA)通過遙操作，對(duì)人造衛(wèi)星上的機(jī)器人進(jìn)行了控制。 2020 美國 Coordinated Science 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出半自主人機(jī)協(xié)作多 機(jī)器人登月探測(cè)遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)操作者在地月之間的雙向遙操作。 2020 年，美國在國際空間站的“命運(yùn)”號(hào)實(shí)驗(yàn)艙安裝了機(jī)器人 Robonaut2。它的 兩只手臂各長 米 ，各具有 7 個(gè)自由度，其中腕部有 2 個(gè)自由度。 如今，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于 遙操作機(jī)器人，已經(jīng)成為遙操作機(jī)器人研究的焦點(diǎn)課題。人們可以利用該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成某種虛擬環(huán)境，操作者借助系統(tǒng)中的各種傳感器，就可以“投入”到該環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)操作者與環(huán)境的直接自然交互。 我國非常重視遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)。智能機(jī)器人主題作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一個(gè)項(xiàng)目被列入863 劃，從此，我國開始了對(duì)遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究。 清華大學(xué)開發(fā)的基于視覺臨場(chǎng)感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，既可以通過人機(jī)交互協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的監(jiān)控遙操作，又允許機(jī)器人基于傳感器對(duì)高層控制規(guī)劃進(jìn)行修正 [3]。這些成就說明了我國在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域取得的進(jìn)展。因此，提 出一個(gè)系統(tǒng)模型對(duì)遙操作機(jī)器人功能的實(shí)現(xiàn)有著重要意義。 第一章 緒論 4 NASREM 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 該模型由美國國家宇航局（ NASA）和美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（ NIST）在 1987 年聯(lián)合公布。這一系統(tǒng)模型具有三個(gè)模塊，每個(gè)模塊分六個(gè)層次，具體結(jié)構(gòu)如圖 11： 圖 11 NASREM 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 如圖 11 所示：在三個(gè)模塊中， H 模塊是任務(wù)分解模塊， M 模塊是環(huán)境狀態(tài)建模模塊， G 模塊是傳感器處理模塊。 Sense Action Global Memory Maps Object Lists Variables Evaluation Program Files Operator Interface G6 M6 H6 G5 M5 H5 G4 M4 H4 G3 M3 H3 G2 M2 H2 G1 M1 H1 Goal 第一章 緒論 5 基于 Agent 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 Agent 技術(shù)來自于人工智能技術(shù)的發(fā)展，以往應(yīng)用在智能機(jī)器人中。這一模型更多應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，它由五層體系組成，分別是：交互層，主控層，網(wǎng)絡(luò)層，從端控制層，物理層。 圖 12 基于 Agent的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型 混雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型由離散事件、接口和連續(xù)動(dòng)態(tài)三部分組成。系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)圖如 13 所示。如圖 14 所示，該模型由命令層（主要包括命令發(fā)生器）、本地控制層（主要包括本地控制器）、網(wǎng)絡(luò)層（主從端的雙向通訊）、遠(yuǎn)端控制層（主要包括遠(yuǎn)程控制器）和物理層（機(jī)器人系統(tǒng)）組成。 但是，經(jīng)典的采樣控制結(jié)構(gòu)有許多假設(shè)在遙操作機(jī)器人領(lǐng)域中不成立，因此采樣控制結(jié)構(gòu)還需要進(jìn)一步探索新的模型體系，來適應(yīng)遙操作機(jī)器人的需求。有了遙操作機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，我們就可以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定 性、動(dòng)態(tài)性能，研究建立遙操作機(jī)器人的控制方法，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬。 形式化模型 基于遙操作機(jī)器人的 Agent 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型建立，該模型一般由通信模塊、知識(shí)庫模塊、過程處理模塊、感知模塊、效應(yīng)器模塊組成。到目前為止，這一系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 雙端口網(wǎng)絡(luò)模型將遙操作機(jī)器人系統(tǒng)等效成電路系統(tǒng)，運(yùn)用雙端口電路模型為機(jī)器人建模，通過電路理論來分析遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能、控制方法等。 第一章 緒論 8 遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制 在遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，主端和從端相距遙遠(yuǎn)，二者依靠通信環(huán)節(jié)進(jìn)行信息傳輸。比如， 在空間遙操作領(lǐng)域，天地時(shí)延平均小于 3 秒，延遲時(shí)間在 5 秒以內(nèi)的概率大于 95%，平均抖動(dòng)在 至 之間。這些時(shí)延會(huì)給遙操作系統(tǒng)的“知覺”感受和操作性能帶來極大影響 [12]。然而，由于存在較大的時(shí)延，原本穩(wěn)定的雙向力反饋遙操作機(jī)器人可能失去穩(wěn)定性 。 下面對(duì)目前流行的幾種遙操作機(jī)器人時(shí)延控制方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹： 基于電路理論的無源控制方法 這種方法由 Raju在 1989年首先提出。通過分析發(fā)現(xiàn)，通信時(shí)延造成了信號(hào)傳輸線的有源性，這就是導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因?；谶@種方法，學(xué)者們提出的控制方法主要有散射方法和波變量方法 。 Lawrence 提出了“無緣距離”和“透明距離”等概念。 第一章 緒論 9 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的控制方法 基于電路的理論，在長時(shí)延的情況下，不能在保證穩(wěn)定性的同時(shí)又具有良好的操作性。因此，許多研 究者轉(zhuǎn)向了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，他們將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于遙操作機(jī)器人的控制。這種方法在克服了時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的同時(shí)，具備很好的操作性能。因此，中科院沈陽自動(dòng)化研究所的席寧等人提出了基于事件的控制方法 [16][17]。系統(tǒng)的理想輸出是此參量的函數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，系統(tǒng)的目標(biāo)輸出值被規(guī)劃器實(shí)時(shí)修正。時(shí)間對(duì)整個(gè)控制過程的影響在這里被巧妙地回避，該方法可以應(yīng)用于具有不確定時(shí)延的遙操作系統(tǒng)中。本文將建立一個(gè)基于二端口網(wǎng)絡(luò)的遙操作機(jī)器人模型，運(yùn)用波變量的方法來保證系統(tǒng)傳輸環(huán)節(jié)的無源性，進(jìn)而確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 第二章 介紹二端口網(wǎng)絡(luò)理論，基于二端口網(wǎng)絡(luò)建立遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。介紹透明性概念，用于描述遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的控制效果。 第五章 運(yùn)用 Matlab 軟件的 Simulink 工具包搭建遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證控制算法。 流出的電流；同時(shí)，從端子 2 流入方框的電流等于從端子 239。用二端口概念分析電路時(shí)，只需考慮二端口處電流、電壓之間的關(guān)系，這種關(guān)系可以通過一些參數(shù)表示，而決定這些參數(shù)的只有二端口本身的組成元件及它 們的連接方式。 二端口的參數(shù)可以用四種矩陣表征，分別為 Z、 Y、 H 和 T，它們之間可以相互轉(zhuǎn)化。二端口網(wǎng)絡(luò)的 H 參數(shù)矩陣表達(dá)式如下： ??????????????????????????????????21212221121121 UIHUIHH HHIU 遙操作機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu) 1 139。 I1 I2 I2 U1 U2 I1 第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 12 圖 22 遙操作機(jī)器人體系結(jié)構(gòu) 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)由操作者、主端機(jī)器人、通信環(huán)節(jié)、從端機(jī)器人和工作環(huán)境組成。 為了簡(jiǎn)單，本文僅研究只有一個(gè)自由度的機(jī)器人。 為了建立遙操作機(jī)器人各個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)力學(xué)模型，作出如下假設(shè)： 假設(shè) 1：從端機(jī)器人與工作環(huán)境中的物體接觸且該物體沒有發(fā)生形變時(shí)的位移為零； 假設(shè) 2：從端機(jī)器人的質(zhì)量包含工作環(huán)境中所接觸物體的質(zhì)量； 假設(shè) 3：操作者對(duì)主端機(jī)器人施加的力 與主端機(jī)器人本身的動(dòng)態(tài)特性無關(guān)； 假設(shè) 4：只考慮從端機(jī)器人與工作環(huán)境中所接觸物體相接觸的動(dòng)態(tài)特性。其中 F和 V都是時(shí)間 t的函數(shù)。 Vm是主端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度， VS是從端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。 此外，對(duì)從端機(jī)器人采用 PI控制算法，可以得到從端機(jī)器人內(nèi)力 Fs的表達(dá)式： ? ???? dtVVKVVPF ssdsssdss )()( （ ） Ps和 Ks分別是控制器的阻尼系數(shù)和剛性系數(shù)。如圖 23所示，主端、通信環(huán)節(jié)和從端都是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，操作者和環(huán)境則是一端口網(wǎng)絡(luò)。只要對(duì) H 參數(shù)矩陣進(jìn)行分析，就可以知曉這個(gè)二環(huán)境 通信環(huán)節(jié) 從端 主端 操作者 Vm + Fh Vm + Fmd Vsd + Fs + Fe Vs 第二章 遙操作機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型和數(shù)學(xué) 模型 14 端口網(wǎng)絡(luò)是否穩(wěn)定。首先，不加說明地給出幾種電路系統(tǒng)中的無源性元件，用以建立遙操作機(jī)器人的電路等效模型。 ? 剛性元件 K：對(duì)應(yīng)著反饋或者環(huán)境剛性，輸入輸出關(guān)系如下： ?? dttvKF )( （ ） 它與圖 24（ b）對(duì)應(yīng)。 ? 變換元件 n：對(duì)應(yīng)著機(jī)械系統(tǒng)中的齒輪傳動(dòng)比等比例關(guān)系，輸入輸出關(guān)系如下： 12 nFF? （ ） 它與圖 24（ d）對(duì)應(yīng)。在后面的分析中將看到，這個(gè)遙操作機(jī)器人的等效電路模型是不穩(wěn)定的，不能直接進(jìn)行控制。因此需要對(duì)傳輸環(huán)節(jié)進(jìn)行改造，使其具有無源性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。二 端口網(wǎng)絡(luò)理論原本用于描述電路系統(tǒng)，但是遙操作機(jī)器人與電路有相似性，可以把它等效成一個(gè)電路系統(tǒng)。在建立起遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的二端口網(wǎng)絡(luò)模型之后，就可以運(yùn)用電路理論來分析遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性。所以，接下來首先將對(duì)無源性理論進(jìn)行介紹，然后對(duì)遙操作機(jī)器人進(jìn)行穩(wěn)定性分析并指出它不穩(wěn)定原因，最后通過一定的設(shè)計(jì)改造使 系統(tǒng)重獲穩(wěn)定。但是，在前面的章節(jié)中，遙操作機(jī)器人的二端口模型已經(jīng)被建立起來，也就是說遙操作機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)被等效成電路系統(tǒng)。下面給出無源性理論的相關(guān)定義和它的穩(wěn)定性判據(jù)： 定義 ： 對(duì)于如圖 21所示的獨(dú)立二端口網(wǎng)絡(luò)，如果它是無源的，那么當(dāng)且僅當(dāng)注入端口的電流 I（ t）和橫跨端口的電壓 U（ t）存在如下關(guān)系時(shí)成立： ?? ?0 0)()( dttItU （ ） 這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)在初始條件下沒有能量存貯。 如果一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)是無損的，那么當(dāng)且僅當(dāng)有如下關(guān)系時(shí)成立： ?? ?0 0)()( dttItU （ ） 無源性從能量的角度揭示了系統(tǒng)的穩(wěn)定特性。從輸入輸出的角度來看，這個(gè)系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。 I1 U1 I1 2 239。 I3 I3 U3 B 第三章 遙操作機(jī)器人的穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì) 17 為了更好地理解二端口網(wǎng)絡(luò)無源性的條件，再