毕业设计开题分析方案

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1、毕业设计开题报告遥操作机器人的时延控制日期：2018年1 月 13日一、课题研究背景1.1、遥操作机器人系统概述遥操作机器人系统由操作者、主端机器人子系统、通信环节、 从端机器人子系统和工作环境组成。操作者指令通过主端机器人、 通信环节和从端机器人作用于环境，对环境的感知信息则经过上述 环节返回到主端操作者，使主端操作者有身临其境的感觉，从而有 效完成操作任务。遥操作系统能将人所在的主端的命令和行为传到 并作用在远端，实现对远端环境的期望的操作和控制，从而极大地 提高操作者的安全性和工作效率，节俭成本，更高效合理地利用人 力资源，实现多方协调作业等1。最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控

2、制上 2,由于 电磁波传播速度及信号收发处理方面等的局限性，遥操作系统往往 存在比较大的时延。这些时延会给系统的知觉感受和操作性能带来 极大影响3，于是在原有遥操作系统上，就逐步增加了力反馈信 号。然而，这虽然提高了遥操作系统的操作性能，但是由于时延的 存在，系统的稳定性受到了影响。因此，控制器的设计除了要保证 系统的稳定性外，还要克服时延的影响。1.2、遥操作机器人的研究意义遥操作不同于遥控，它在人控制远方机器人的同时，又必须得 到机器人在“知觉”上的反馈。实现机器人在“知觉”上反馈的办 法，就是使用临场感技术。临场感技术是以人为中心，通过各种传 感器将远地机器人与环境的交互信息 包括视觉、

3、力觉、触觉、听 觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者人）处，生成和远地环境 一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器 人带感觉的控制，完成作业任务4。事实上，在应用了临场感技术 的遥操作机器人系统中，对于操作者来说，意味着他将“沉浸”在 远地环境中。这样，遥操作机器人系统就可以代替人类完成远程环 境和危险环境下的任务，保护人类的安全。在空间探索中，它可以 完成卫星修理，空间站维护，月球、火星等行星的勘探等任务；在 海洋开发中，它可以完成海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修 理，海洋钻井平台维护，海底考古等任务；在军事领域，它可以完 成战场调查、防化、扫雷、救护等任务；在民用领域

4、，它可以完成 核电站维修、远程医疗、远程教育、远程科学实验等任务。总之， 遥操作机器人的应用使人摆脱了传统操作者的角色，由直接操作变 成了遥操作。二、国内外研究状况2.1、遥操作机器人发展历程上个世纪四十年代，Fermi领导他的团队在Argonne国家实验 室进行核实验，由于核材料放射性强，对人体危害大，为解决核废 料的处理问题。1948 年，世界第一个遥操作系统由 Goertz 在国家 实验室研制成功。 1954 年， Goertz 设计了第一台电子程序可编的 工业机器人是一个带伺服反馈的机电遥操作系统5，由操作者对车 辆进行远程控制，操作性能得到很大改善。后来从动力学和运动学 角度设计的双

5、向控制方法的引入，使得设计适合于人手使用的操纵 杆成为现实，大大减轻了操作者的负担。20 世纪 80 年代对智能机 器人的研究表明，由于机构、控制、人工智能和传感技术水平的限 制，在短时间内尚难研制出能在未知或复杂环境下工作的全自主式 智能机器人。 90 年代以来， Internet 得到了迅速发展，已经联系 超过 160 个国家和地区， 4 万多个子网、500 多万台电脑主机，直 接的用户超过 4000 万，成为世界上信息资源最丰富的电脑公共 网。将 Internt 技术被引入遥操作机器人领域，将其作为遥操作系 统的通讯环节，由于 Internet 引入系统会产生变化的随机的时延 会影响系统

6、的稳定性和可操作性。因此，由 Internet 引起的变化 的、随机的时延问题成为学者研究基于网络的遥操作机器人必须攻 克的一个难题6。2.2、时延控制方法的研究现状早在 1966 年就有学者讨论了遥操作机器人系统中的通信时延问 题，但是当时没有考虑力反馈，所以存在不稳定的问题7。随后又 有人提出“移动等待”的策略来解决不稳定问题。但是这种方法 降低了系统工作带宽，这不仅使力反馈信息模糊，而且给操作者带 来极大负担，操作者容易疲劳。随着空间技术和海洋技术的发展， 通信时延对具有遥操作机器人的影响越发受到重视8。许多国家的 学者对这一问题进行了探索，目前主要形成了以下几种方法：2.2.1、基于电

7、路网络理论的无源控制法：这种方法由Raju在1989年首先提出。他将遥操作系统与电路 网络进行类比，用二端口网络理论分析遥操作系统9。通过分析发 现，造成系统不稳定的原因在于通信时延造成了传输线的有源性。 要解决系统的稳定性问题，关键是要使传输线具有无源性。2.2.2、基于现代控制理论的控制算法加拿大多伦多大学的 Strassberg 和 Goldembeng 等人则利用现 代控制理论中的李雅普诺夫稳定性判据分析遥操作系统的稳定性10。 Lawrence 提出了“无缘距离”和“透明距离”的概念。 Leung 和 Francis 等人利用这些概念的综合评价法设计遥操作系统11。2.2.3、基于虚

8、拟现实技术的控制结构和控制算法基于电路的理论，在长时延的情况下，不能在保证稳定性的同 时又具有很好的操作性。而现代控制理论又不甚完善，这使基于现 代控制理论的方法又很多问题不能解决。因此，许多研究者将虚拟 现实技术应用于遥操作机器人系统。虚拟现实是一种可以创建和体 验虚拟世界的多传感融合与多媒体集成的计算机系统。人们可以利 用该计算机系统生成某种虚拟环境（如宇宙空间、水下等作业环境, 借助各种传感设备使操作者“投入”到该环境中, 实现操作者与该 环境的直接自然交互12。这种克服时延的方法，不但解决了稳定 性，而且使系统具有很好的操作性。2.2.4、基于事件的控制算法在遥操作系统中，如果延时过大

9、或者是随机的或不可预测，如 网络遥操作系统，传统方法很难达到效果，这时学者们引入了基于 事件的控制算法13。这种理论的基本点在于引入一个不同于时间 的新的运动参变量，该变量随控制过程的进行而更新，实时的传感 信息是这种更新的依据。系统的理想输出是此参梁的函数，在系统 运行过程中，通过规划器实时修正系统的目标输出值，使得系统运 动规划过程成为实时过程，具有自适应的特性，并有利于得到优良 的控制效果14。基于事件的方法由于采用了非时间基的时钟来推 动整个的运动，从而巧妙地绕开了信息传输的不确定时延并保证了 系统的稳定性。三、研究内容3.1、课题研究目的本课题将研究遥操作机器人时延控制的特点，提出系

10、统设计原 则和方案；并以此为基础，设计一种遥操作机器人时延控制算法， 运用仿真软件搭建系统模型，进行系统仿真实验。3.2、遥操作机器人系统体系结构遥操作机器人系统由操作者、主端机器人子系统、通信环节从端机器人子系统和工作环境组成。它的系统构成图如图1 所示：视觉倍息主端机器人子M统操作者力或/和 俚理信息.儿何或，和物理特性、圏像信息通信环节力或丿和伉也几何或/利 物理特性.图僮信息力或/和 位豊信息 从端机益人子系统JL何或】和 詢理刪 图像信息环 境图 1 ：遥操作机器人系统体系结构3.3、遥操作机器人系统的模型遥操作机器人的系统的动力学模型如下：将遥操作系统与电路系统进行类比，用二端口网

11、络的方法研究 遥操作系统。只要保证传输线的无源性，就可以保证系统的稳定 性。3.4.1、二端口网络如果有两对端子满足端口条件，即对于所有时间t,从端子1 流入方框的电流等于从端子1 流出的电流；同时，从端子2流入 方框的电流等于从端子2 流出的电流，这种电路称为二端口网 络。用二端口概念分析电路时，仅对二端口处的电流、电压之间的 关系感兴趣，这种相互关系可以通过一些参数表示，而这些参数只 决定于构成二端口本身的元件及他们的连接方式。一旦确定表征这 个二端口的参数后，当一个端口的电压、电流发生变化，要找出另 外一个端口上的电压、电流就比较容易了15。1 2V 叮：匸2r图2：二端口网络3.4.2

12、、二端口网络的有源性和无源性可时候都不能释放出能量无源性：对一个N端口网络，若在任何时刻t0和任何t三t0 时刻，对于所有容许的信号 V (t 和 i (t 来说，储存和供应到 该网络的能量，在所有的时间t均为非负值，即： 则该网络就是无源网络。无？的。有源性：一个N端口网络，当且仅当对于某一激励，某一时刻初始时间t0和任何t0$ t时刻的某一时间有下列关系，即：则该网络就是有源网络。有源网四、毕业设计总体进度安排放出能量。2018年11月查阅相关文献资料及学习相关知识。2018年12月撰写开题报告、文献阅读报告。2018年3-4月设计整个遥操作机器人时延控制器的算法。2018年5月利用mat

13、 lab软件进行系统仿真模拟。2018年6月 撰写毕业论文。参考文献：1 景兴建, 王越超, 谈大龙. 遥操作机器人系统时延控制方法综述J.自动化学报，2004，30(2： 214-223.2 Shemdan T B. Space teleoperation through time delay: Review and prognosis. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 1993.9(5：5926063 Ferrell W R. Remote manipulation with transmission delay . IEEE

14、Transactions on Human Factors in Electronics . 1965,HFE-6(14 刘寒冰 赵丁选. 临场感遥操作机器人综述 J. 技术应 用,2004,1:42-455 Hashtrudi-Zaad, Design、implementation and evaluation of stable bilateral tele- operation control architectures for enhanced tele-presence. Ph. D dissertation. The University of British Columbia.

15、2000.6 宋娟. 网络遥操作机器人的时延控制：硕士论文，长春：吉林 大学，20097 FerrelWR. Delayed force feedback J. IEEETrans.onHumanFacors, 1966, 9(5: 449-454.8 陈俊杰. 空间机器人遥操作克服时延影响的研究进展 J. 测控 技术,2007,26(2:1-79 Raju G. Design issue in 2-port networks models ofbilateral remote manipulationJ. IEEE Trans on AutoControl , 1989,34(3:1316-

16、132110 Strassbrg Y , Goldenberg A A, Mills T K A new controlscheme for bilateral teleoperating system: lyapunovstability analysisA. Proc of the IEEE Int Conf on Rob andAuto C. Nice, France, 1992: 837-84211 LawrenceDA. Stabilityandtransparencyin bilateralteleoperationJ.IEEETrans. onRob. andAuto. , 19

17、93, 9(5: 624-637.12 李华忠，梁永生，洪炳熔. 基于虚拟现实的无时延感空间机器 人遥操作研究 J. 计算机应用研究, 2008,11(25:3404-340713 Elhagg I, Xi Ning, Liu Yun Hui. Real-time control of internet based teleoperation with force reflection. In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. San Francisco, CA:2000,3284-328914 Xi N, Tarn T J. Action synchronization and control of internet based telerobotic systems. In:Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation. Detroit, Michigan:1999.2964-296915 邱关源，罗先觉. 电路:418-419