遥操作机器人理论本科毕业设计

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1、摘 要随着探索领域的不断拓展，人类对机器人的需求越来越大。当需要在一些人类难以到达或者危险的环境中完成复杂任务时，普通机器人往往难以胜任，这时遥操作机器人就应运而生。遥操作机器人是机器人学与通信技术、控制理论等融合的产物。它将人类的指导和机器自身的智能相结合，有效拓展了人类的活动空间，延伸了人类的能力，有广泛的应用前景。本文主要研究遥操作机器人的时延控制问题。首先，简要介绍了遥操作机器人的发展和现状，介绍了二端口网络理论，并为遥操作机器人建立了二端口网络模型。然后，基于遥操作机器人的二端口网络模型，分析了时延对遥操作机器人控制效果的不利影响，以及产生这些不利影响的原因。接着，运用无源控制理论中

2、的波变量方法，设计遥操作机器人系统的控制算法。最后，运用Matlab软件对控制算法进行仿真模拟。关键词： 机器人 遥操作 二端口 无源控制43 / 47文档可自由编辑打印ABSTRACTWith 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 complex tasks, often dif

3、ficult to do ordinary robot, teleoperation will emerge as the times require. Teleoperation is a fusion of robotics, communication technology and control theory. Teleoperation which combines human supervisor and machine intelligence effectively expands the space of human activity and extends human ca

4、pability, 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 two-port network theory and builds a two-port network model for teleoperation. Secondly, based

5、on the two-port network 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. Whats more, using wave variable method of the passive control theory, control algorithm off teleoperation is

6、designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm.Keywords: robotics teleoperation two-port network passive control目 录第一章 绪论11.1 遥操作机器人的意义11.2 遥操作机器人的发展21.3 遥操作机器人的系统结构模型31.3.1 NASREM系统结构模型41.3.2 基于Agent的系统结构模型51.3.3 混杂系统结构模型51.3.4 采样控制模型61.4 遥操作机器人的数学模型71.5 遥操作机器人的时延控制81.5.1 基于电路理

7、论的无源控制方法81.5.2 基于现代控制理论的方法81.5.3 基于虚拟现实技术的控制方法91.5.4 基于事件的控制方法91.6 本文主要研究内容9第二章 遥操作机器人的动力学模型和数学模型112.1 二端口网络理论112.2 遥操作机器人的体系结构112.3 遥操作机器人系统等效成二端口网络132.4 本章小结15第三章 遥操作机器人的稳定性分析与设计163.1 无源性理论163.2 遥操作机器人的稳定性分析183.3 基于波变量的矫正方法193.4 阻抗匹配213.5 透明性问题223.5.1 透明性的定义223.5.2 时延对透明性的影响233.6 本章小结25第四章 遥操作机器人的

8、总体控制设计264.1 遥操作机器人的控制器设计264.2 遥操作机器人的总体控制结构284.3 本章小结29第五章 系统仿真实验305.1 对波变量方法的验证305.2 更加真实的遥操作机器人仿真模型315.3 消除了波反射的遥操作机器人仿真模型33总 结36参 考 文 献37致 谢39第一章 绪论1.1 遥操作机器人的意义遥操作机器人(Teleoperation)是一种完成比较复杂操作的远距离操作系统。它由操作者、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。主端机器人将操作者的控制指令发出，经过通信环节传递给从端机器人，然后由从端作用于环境。从端和环境的相关信息则经由上述环

9、节返还到操作者，使操作者有身临其境的感觉，从而有效完成操作任务。“遥操作”不同于“遥控”，由于“遥操作”属于远距离操作，因此遥操作机器人必须能够把远端的工作信息反馈给操作者，也就是说，“遥操作”必须具备“知觉反馈”能力。事实上，遥操作技术就是一种“桥梁”，它弥平了操作者与被操作物体在物理空间上的鸿沟，通过将人与实验终端构成一个闭合的控制回路,跨越空间距离而最终实现了人类能力的延伸。随着科技的发展进步，人类的探索领域不断拓展。但是，在许多极端环境下，人类无法直接开展工作。比如，在空间和深海环境进行探索时，受目前技术条件的限制，人类还不能轻易到达；在高空、核及生化环境开展作业时，由于这些环境有害人

10、体健康，人类不能直接进入；在煤矿、建设以及军事战场等恶劣环境中，随时会有危险发生，人类应尽量减少在这些环境中的存在。在以上这些情况下，人们希望能够在安全的环境中，通过远程控制，完成极端环境下的工作。此外，随着互联网技术在日常生产和生活中的深入发展，人们也希望通过互联网，远程操作彼端事物的动作和行为，打破空间的阻碍，使人类的能力得以延伸。因此，遥操作技术应运而生。将操作者作用于主端的命令和行为传递到远端，进而实现对远端事物的操作和控制，这就是遥操作技术的特点。其优越性就在于，可以极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质资源，实现多方协调作业、远程监护、遥规划和控制

11、以及远程信息（如感知） 互动等1。事实上，在早期我国科技工作者一般把“遥操作”称为“遥科学”。但是所谓“遥科学”并不具备它作为“科学”所应有的哲学范畴，仅仅是一种特殊的操作模式。也就是说，“遥科学”事实上只是一种技术应有，是一种基于特殊操作模式的技术应用。因此，我国目前都把这种技术称为“遥操作”，而基本不再讲“遥科学”。1.2 遥操作机器人的发展上世纪四十年代，Fermi领导他的团队在Argonne国家实验室进行核试验，设计了一套用于处理核废料的主从式遥操作机器人系统2。这标志着遥操作机器人的诞生。遥操作机器人自诞生至今，已经有60多年的历史。它的技术发展历程大致可以分为两个阶段：第一阶段表现

12、为驱动方式的进步，从机械联动到电动伺服，遥操作机器人最终确定了双向力反馈主从操作的模式，这一阶段的遥操作机器人主要应用于航天领域及核工业；第二阶段表现为控制方式的进步，随着计算机技术、控制理论、人工智能以及通信技术的飞速发展，机器人技术与它们相互融合，最终产生了计算机辅助遥操作，即第二代遥操作技术。90年代以后，机器人技术开始与其它领域交叉。特别是机器人与计算机、通信和网络的交叉，产生了基于Internet的机器人控制技术。这一技术的深入发展给遥操作机器人的研究注入了崭新的活力。近年来，遥操作机器人的应用越来越广泛，在空间探索领域更是大显身手。上世纪九十年代，德国研制了空间机器人ROTEX，地

13、面工作人员和空间站内的宇航员都可以操作ROTEX，这是人类历史上第一个空间遥操作机器人。2000年日本国家空间研究所(NASDA)通过遥操作，对人造卫星上的机器人进行了控制。2004年美国国家航空和宇宙航行局(NASA)相继发射了“勇气号”和“机遇号”火星车，它们登陆火星后，在火星表面开展了多项探测活动并传回火星表面的照片。2005美国Coordinated Science实验室开发出半自主人机协作多机器人登月探测遥操作系统，该系统可以实现操作者在地月之间的双向遥操作。运用这套系统，操作者甚至能够控制机器人建设月球基地，挖掘月球岩石。2011年，美国在国际空间站的“命运”号实验舱安装了机器人R

14、obonaut2。它能够以2m/s的速度移动手臂，单臂可以在有重力条件下以任何姿态承担20磅负载。它的两只手臂各长0.8米，各具有7个自由度，其中腕部有2个自由度。每只手有12个自由度，其中拇指4个自由度，食指和中指各3个自由度，无名指和小指各1个自由度，每根手指可以产生大约5磅的抓力。如今，将虚拟现实技术运用于遥操作机器人，已经成为遥操作机器人研究的焦点课题。虚拟现实（VR）是一种多传感融合的多媒体集成计算机系统，它可以创建和体验虚拟世界。人们可以利用该计算机系统生成某种虚拟环境，操作者借助系统中的各种传感器，就可以“投入”到该环境中，实现操作者与环境的直接自然交互。在英法俄三国联合完成的一

15、项遥操作实验中， Java 和 Java3D 技术被用来建立三维虚拟环境，操作者可以通过Web 方式远程访问遥操作机器人，运用数据手套控制机器人运动。我国非常重视遥操作机器人技术的研究开发。1986年，我国制定了国家高技术发展计划，即863计划。智能机器人主题作为自动化领域的一个项目被列入863划，从此，我国开始了对遥操作机器人技术的研究。经过科技工作者三十多年的艰苦奋斗，我国的遥操作机器人技术从跟踪世界先进水平起步，已经发展到实现独立自主地创新研发，在空间、海洋、教学等领域都取得了广泛的研究成果。清华大学开发的基于视觉临场感的机器人遥操作系统，既可以通过人机交互协调控制实现对机器人的监控遥操

16、作，又允许机器人基于传感器对高层控制规划进行修正3。中科院沈阳自动化研究所研制了主从异构的监控遥操作系统4，哈尔滨工业大学开发了空间机器人共享系统5，北京航空航天大学开发了基于 Internet 的遥操作系统6，南开大学开发了基于互联网的主从式遥操作平台7，上海交通大学开发了基于 Web的机器人遥操作系统8，国防科技大学开发了基于虚拟现实技术的监控式大时延机器人系统9，华南理工大学开发了基于国际互联网的机器人实时跟踪系统10，东南大学开发了力觉临场感遥操作系统11。这些成就说明了我国在遥操作机器人领域取得的进展。1.3 遥操作机器人的系统结构模型遥操作机器人事实上是一个结构庞大而松散的系统。因

17、此，提出一个系统模型对遥操作机器人功能的实现有着重要意义。目前比较有代表性的系统结构模型有：NASREM遥操作控制系统结构模型、基于Agent的结构模型、混杂控制结构模型、采样控制结构模型等。1.3.1 NASREM系统结构模型该模型由美国国家宇航局（NASA）和美国国家标准局（NIST）在1987年联合公布。它是为具有多个机器人的航天器复杂环境设计的，是遥操作机器人系统模型的典型代表。这一系统模型具有三个模块，每个模块分六个层次，具体结构如图1-1：SenseActionGlobalMemoryMapsObjectListsVariablesEvaluationProgramFilesOpe

18、ratorInterfaceG6M6H6G5M5H5G4M4H4G3M3H3G2M2H2G1M1H1Goal图1-1 NASREM控制系统结构模型如图1-1所示：在三个模块中，H模块是任务分解模块，M模块是环境状态建模模块，G模块是传感器处理模块。这些模块有机结合，构成了一个完整的遥操作机器人系统。1.3.2 基于Agent的系统结构模型Agent技术来自于人工智能技术的发展，以往应用在智能机器人中。当人们把这一技术运用于遥操作机器人系统时，便产生了基于Agent的系统结构模型。这一模型更多应用于网络遥操作机器人系统，它由五层体系组成，分别是：交互层，主控层，网络层，从端控制层，物理层。如图1

19、-2所示：交互层实现操作者和Agent之间的交互；主控层对交互层传来的信息进行融合决策、规划、分解，然后产生对从端机器人的控制命令；网络层根据网络协议进行传输；从端控制层根据主端命令完成完成任务；物理层是机器人系统与外部环境。交互层主控层网络层从端控制层物理层交互Agent主控Agent机器人系统n从端Agent n从端Agent2机器人系统2网络协议从端Agent1机器人系统1操作者其它Agent图 1-2 基于Agent的系统结构模型1.3.3 混杂系统结构模型混杂系统结构模型由离散事件、接口和连续动态三部分组成。离散事件部分包括对象的离散状态、对混杂对象的事件驱动、混杂对象的状态转换函数

20、等；接口部分的事件生成器将连续变量转化为离散变量，执行器将离散变量转换为受控对象的输入信号；连续动态部分由机器人系统的连续动力学方程描述。系统模型的结构图如1-3所示。图1-3 混杂系统结构模型1.3.4 采样控制模型图1-4 采样控制模型采样控制模型是在计算机控制系统的基础上发展起来的，它主要用于网络遥操作机器人。如图1-4所示，该模型由命令层（主要包括命令发生器）、本地控制层（主要包括本地控制器）、网络层（主从端的双向通讯）、远端控制层（主要包括远程控制器）和物理层（机器人系统）组成。在本地，命令产生器将命令传送给本地控制器，本地控制器以时钟Clock1为周期，采样命令产生器产生的命令和通

21、过网络传送来的远程机器人的状态，生成控制命令并通过网络发送给远程控制器；远程控制器以时钟Clock2为周期，采样本地控制器的控制命令并通过网络发送机器人状态给本地控制器。但是，经典的采样控制结构有许多假设在遥操作机器人领域中不成立，因此采样控制结构还需要进一步探索新的模型体系，来适应遥操作机器人的需求。1.4 遥操作机器人的数学模型遥操作机器人的数学模型是在系统模型的基础上建立起来的。有了遥操作机器人的数学模型，我们就可以分析系统的稳定性、动态性能，研究建立遥操作机器人的控制方法，对系统进行仿真模拟。目前比较有代表性的数学模型有：形式化模型、混杂系统模型、双端口网络模型、采样系统模型等。形式化

22、模型基于遥操作机器人的Agent系统结构模型建立，该模型一般由通信模块、知识库模块、过程处理模块、感知模块、效应器模块组成。混杂系统模型通常应用于连续信号（如运动、力等）和离散信号（如状态逻辑切换等）同时存在的网络遥操作系统中。到目前为止，这一系统还没有统一的标准。一般来说，连续时间过程一般用微分方程表示，离散时间过程一般用差分方程表示，而逻辑或决策过程则用有限自动机或更一般的离散事件系统表示。双端口网络模型将遥操作机器人系统等效成电路系统，运用双端口电路模型为机器人建模，通过电路理论来分析遥操作机器人系统的稳定性、动态性能、控制方法等。采样系统模型为遥操作机器人建立一个离散的采样模型，使用离

23、散的控制方法来分析研究系统的各方面性能。1.5 遥操作机器人的时延控制在遥操作机器人系统中，主端和从端相距遥远，二者依靠通信环节进行信息传输。由于电磁波的传输速度以及信号收发处理等方面的局限性，遥操作机器人系统存在时延，而且往往较大，不能忽略。比如，在空间遥操作领域，天地时延平均小于3秒，延迟时间在5秒以内的概率大于95%，平均抖动在0.357ms至20.45ms之间。除了距离的原因会造成时延外，大容量信息的压缩/复现、编码/解码及信息载波传输带宽的限度都会造成时延。这些时延会给遥操作系统的“知觉”感受和操作性能带来极大影响12。为了提高操作性能，人们逐渐向系统中增加以力反馈为主的信息反馈，最

24、后形成了双向力反馈遥操作机器人系统（bilateral teleoperation）。然而，由于存在较大的时延，原本稳定的双向力反馈遥操作机器人可能失去稳定性。因此，遥操作机器人控制方法研究的核心问题，就是如何克服时延对系统性能的影响。下面对目前流行的几种遥操作机器人时延控制方法进行简要介绍：1.5.1 基于电路理论的无源控制方法这种方法由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13。通过分析发现，通信时延造成了信号传输线的有源性，这就是导致系统不稳定的原因。只有改造主从端之间的通信环节，使其具有无源传输线特性，才能从根本上确保系统的稳定性

25、。基于这种方法，学者们提出的控制方法主要有散射方法和波变量方法。1.5.2 基于现代控制理论的方法加拿大多伦多大学的Strassberg和Goldembeng等人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14。Lawrence提出了“无缘距离”和“透明距离”等概念。Leung和Francis等人利用这些概念的综合评价法设计遥操作系统15。1.5.3 基于虚拟现实技术的控制方法基于电路的理论，在长时延的情况下，不能在保证稳定性的同时又具有良好的操作性。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有很多问题不能解决。因此，许多研究者转向了虚拟现实技术，他们将这项技术应用

26、于遥操作机器人的控制。借助各种传感设备，操作者“进入”到计算机创造的远端环境中, 这样操作者能够产生身临其境的感觉，非常自然地操纵远端机器人。这种方法在克服了时延对系统稳定性影响的同时，具备很好的操作性能。1.5.4 基于事件的控制方法如果遥操作系统的时延过大或者不可预测地随即产生，那么传统控制方法很难达到预期控制效果。因此，中科院沈阳自动化研究所的席宁等人提出了基于事件的控制方法1617。与传统的以时间为参变量的方法不同，这种方法引入一个随控制过程的进行而实时更新的参变量。系统的理想输出是此参量的函数，在系统运行的过程中，系统的目标输出值被规划器实时修正。因此，系统的运动规划过程变为实时过程

27、，具有自适应特性，可以得到优良的控制效果。时间对整个控制过程的影响在这里被巧妙地回避，该方法可以应用于具有不确定时延的遥操作系统中。1.6 本文主要研究内容通过对遥操作机器人系统的介绍，本文阐述了设计遥操作机器人时延控制器的原因。本文将建立一个基于二端口网络的遥操作机器人模型，运用波变量的方法来保证系统传输环节的无源性，进而确保系统的稳定性。本文的主要工作如下：第1章 主要叙述遥操作机器人系统的研究背景和研究意义，讲述遥操作机器人的发展历程，简要介绍目前流行的遥操作机器人控制方法。第2章 介绍二端口网络理论，基于二端口网络建立遥操作机器人系统的数学模型。第3章 介绍无源控制理论，在遥操作机器人

28、系统二端口网络模型的基础上，首先运用无源性方法对系统的稳定性进行分析，然后再运用波变量方法对系统进行无源化矫正。介绍透明性概念，用于描述遥操作机器人系统的控制效果。第4章 在前面各章分析和设计的基础上，设计遥操作机器人系统的总体控制结构，建立框图模型，为仿真模拟做准备。第5章 运用Matlab软件的Simulink工具包搭建遥操作机器人的系统模型，进行仿真模拟，验证控制算法。第二章 遥操作机器人的动力学模型和数学模型2.1 二端口网络理论1122I1I2I2U1U2I1图2-1 二端口网络如图2-1所示，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

29、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18。用二端口概念分析电路时，只需考虑二端口处电流、电压之间的关系，这种关系可以通过一些参数表示，而决定这些参数的只有二端口本身的组成元件及它们的连接方式。如果确定了表征这个二端口的参数，那么当一个端口的电压或者电流发生变化时，就可以非常容易地找出另一个端口上的电压和电流。二端口的参数可以用四种矩阵表征，分别为Z、Y、H和T，它们之间可以相互转化。在遥操作机器人的研究中，经常使用二端口网络的H参数（即二端口的混合参数）来表征机器人模型的特性。二端口网络的H参数矩阵表达式如下：2.2 遥操作机器人的体系结构vsdvm

30、vmvsFeFsFmdFh操作者主端机器人 通信环节从端机器人工作环境图2-2 遥操作机器人体系结构遥操作机器人系统由操作者、主端机器人、通信环节、从端机器人和工作环境组成。这里研究一个双边力反馈遥操作机器人系统。为了简单，本文仅研究只有一个自由度的机器人。可以得到如图2-2所示的体系结构框图。为了建立遥操作机器人各个环节的动力学模型，作出如下假设：假设1：从端机器人与工作环境中的物体接触且该物体没有发生形变时的位移为零；假设2：从端机器人的质量包含工作环境中所接触物体的质量；假设3：操作者对主端机器人施加的力与主端机器人本身的动态特性无关；假设4：只考虑从端机器人与工作环境中所接触物体相接触

31、的动态特性。如此，建立遥操作机器人系统各个环节的动力学方程如下：操作者与主端机器人相互作用的动力学模型： （2.1） 从端机器人与工作环境相互作用的动力学模型： （2.2） 工作环境的动力学模型： （2.3） 以上就是遥操作机器人系统各环节的动力学模型。其中F和V都是时间t的函数。Fh是操作者施加的力，由操作者根据感觉给出；Fmd是从端反馈回主端的力；Fs是从端机器人施加的力，它由从端机器人内部的控制算法决定；Fe是环境与从端机器人之间的作用力。Vm是主端机器人的运动速度，VS是从端机器人的运动速度。Mm和Ms分别是主从端机器人的质量系数；Bm和Bs分别是主从端机器人的惯性系数；Me、Be和K

32、e分别是工作环境的质量、阻尼和弹性系数。此外，对从端机器人采用PI控制算法，可以得到从端机器人内力Fs的表达式： （2.4）Ps和Ks分别是控制器的阻尼系数和刚性系数。环境通信环节从端主端操作者Vm+Fh-Vm+Fmd-Vsd+Fs-+Fe-Vs2.3 遥操作机器人系统等效成二端口网络图2-3 遥操作机器人的等效二端口网络美国学者Anderson和Spong指出，将遥操作机器人系统与机械和电力系统类比，就可以把遥操作系统看作一个二端口网络19。如图2-3所示，主端、通信环节和从端都是一个二端口网络，操作者和环境则是一端口网络。根据二端口网络的相关理论，遥操作系统的每一个二端口子系统都可以用H参

33、数矩阵表征： （2.5）方程（2.5）是二端口网络H参数矩阵的拉氏变换形式，二端口网络的特性只与其混合参数矩阵H有关。只要对H参数矩阵进行分析，就可以知晓这个二端口网络是否稳定。在后面的章节中，我们将运用无源性理论对遥操作机器人的稳定性进行分析。首先，不加说明地给出几种电路系统中的无源性元件，用以建立遥操作机器人的电路等效模型。图 2-4 主要的无源元件根据电路理论，图2-4所画电路元件都是无源的，对遥操作机器人建模时，也将利用这些无源元件：l 惯性元件M：对应着主从端机器人的质量，输入输出关系如下： （2.6）它与图2-4（a）对应。l 刚性元件K：对应着反馈或者环境刚性，输入输出关系如下：

34、 （2.7）它与图2-4（b）对应。l 阻尼元件B：对应速度反馈或者粘滞摩擦，输入输出关系如下： （2.8）它与图2-4（c）对应。l 变换元件n：对应着机械系统中的齿轮传动比等比例关系，输入输出关系如下： （2.9）它与图2-4（d）对应。l 线性二端口传输介质：对应这系统中有时滞的传输介质，对应图2-4（e）根据遥操作机器人的动力学模型和二端口网络等效原理，可以画出遥操作机器人的等效电路模型：FhZm时延ZsZcZeFmdFsFe+-VmVsdVs图2-5 遥操作机器人的等效电路模型其中，Zm和Zs分别是主从端机器人的等效阻抗，Zc表示从端控制器的等效阻抗，Ze表示环境阻抗。在后面的分析中

35、将看到，这个遥操作机器人的等效电路模型是不稳定的，不能直接进行控制。不稳定的原因在于传输环节的时延，由于时延的存在，传输环节不具有无源性，因此是不稳定的。因此需要对传输环节进行改造，使其具有无源性，保证系统的稳定。2.4 本章小结本章简要介绍了二端口网络理论。二端口网络理论原本用于描述电路系统，但是遥操作机器人与电路有相似性，可以把它等效成一个电路系统。这样，遥操作机器人中的力和速度就可以转化为电压和电流，主从端以及环境都可以转化为电路系统中的阻抗。在建立起遥操作机器人系统的二端口网络模型之后，就可以运用电路理论来分析遥操作机器人的稳定性。第三章 遥操作机器人的稳定性分析与设计3.1 无源性理

36、论本章将基于无源性理论来分析遥操作机器人的稳定性。所以，接下来首先将对无源性理论进行介绍，然后对遥操作机器人进行稳定性分析并指出它不稳定原因，最后通过一定的设计改造使系统重获稳定。无源性理论是用于分析电路系统稳定性的理论。但是，在前面的章节中，遥操作机器人的二端口模型已经被建立起来，也就是说遥操作机器人系统已经被等效成电路系统。所以，无源性理论可以被用来分析遥操作机器人系统的稳定性。下面给出无源性理论的相关定义和它的稳定性判据：定义3.1.1：对于如图2-1所示的独立二端口网络，如果它是无源的，那么当且仅当注入端口的电流I（t）和横跨端口的电压U（t）存在如下关系时成立： （3.1）这个二端口

37、网络在初始条件下没有能量存贮。式（3.1）表明这个二端口网络只消耗能量，不增加能量。如果一个二端口网络是无损的，那么当且仅当有如下关系时成立： （3.2）无源性从能量的角度揭示了系统的稳定特性。如果一个系统是无源的，那么这个系统只消耗能量而不产生能量。从输入输出的角度来看，这个系统就是稳定的。1I1U1I122I2I2U2A133I3I3U3B图3-1 二端口网络串联的情况为了更好地理解二端口网络无源性的条件，再分析一下多个二端口网络串联的情况。如图3-1所示，两个二端口网络串联在一起。如果整个系统无源，那么当且仅当注入端口的电流I（t）和横跨端口的电压U（t）存在如下关系时成立： （3.3）

38、式（3.3）有助于更好的理解二端口网络无源性的概念：整个系统无源不一定说明组成系统的每一个子系统都是无源的，但是由无源的子系统串联而成的系统一定是无源的。定义3.1.2：散射算子 S： 定义为：在一个双端口网络中，散射矩阵可以用混合矩阵H（S）来表示： （3.4）同时： （3.5）将（3.4）和（3.5）联立，就可以得到： （3.6）S就是二端口网络的散射算子，式（3.6）表明它可以用二端口网络的混合参数矩阵H（s）表示。运用散射算子可以非常方便地分析二端口网络的无源性。定理3.1.1：一个二端口网络是无源的，当且仅当其散射算子S（s）满足也即： （3.7）证明：如果，那么，这就说明。这也就明

39、确地给出了： （3.8）即 （3.9）即系统是无源的。3.2 遥操作机器人的稳定性分析从无源性的角度角度来分析，只要系统具有无源性，那么这个系统就是稳定的。同时，无源的子系统串联或并联所组成的系统仍然无源1。因此，利用无源性理论来分析系统的稳定性，就是要分析组成整个系统的各个子系统是否无源。如果某一部分具有无源性，那么它就是稳定的，否则就要通过一些处理使之具有无源性。对于如图2-3所示的双边遥操作机器人而言，主从端机器人都是具有无源性的，因此它们都是稳定的系统，不稳定因素由通信环节的时延产生。首先分析一下没有时延存在时的情况。如果通信环节没有时延，那么主端机器人的运动速度Vm将直接传递到从端，

40、即Vsd（t）=Vm（t）；同理，从端控制器产生的力Fs也将直接反馈回主端，即Fmd（t）=Fs（t）。很显然，在没有通信时延的情况下，系统是无源的，具有稳定性。接下来考虑通信环节存在时延的情况，本文仅分析具有固定时延T的遥操作机器人。考虑图2-3的模型，由于通信时延T的存在，则有Vsd（t）=Vm（t-T），Fmd（t）=Fs（t-T）。进行拉式变换后，将其表示成混合矩阵的形式有： （3.10） （3.11）根据定义3.1.2，散射算子S的形式如下： （3.12）根据定理3.1.1： 也即：。可见散射算子S是无界的，因此通信环节不具有无源性，不稳定。3.3 基于波变量的矫正方法无源控制理论虽

41、然可以分析遥操作机器人的稳定性，并指出不稳定的原因，但是还没有直接给出保证系统无源的方法。为此，学者们引入了波变量方法。该方法通过为通信环节设计一个矫正模块，使其具有无源性。波变量方法由Niemeyer和Slotine最先提出20。所谓波变量，就是在通信环节的两端分别加入一些相互关联的阻抗模块，构成波变量控制器。如果从能量流动的角度来考虑通信环节，那么通信环节这个二端口的总功率为： （3.13）这个等式后半部分中的Ul、Vl、Ur、Vr就是所引入的波变量。经过矫正后通信环节的结构框图如下所示：FlFrVrVlFsVsdFmdVm-b通信介质图3-2 引入波变量控制器后的通信环节引入的波变量用等

42、式的形式可以表示如下： （3.14）因此，图3-2整体所表示的就是一个新的通信环节，这个通信环节不仅仅发生信号的延时，经过延时之后的信号还要经过一次改造，以保证系统的无源性。经过改造后的信号可以用Vl、Fr等表示： （3.15）通信环节经过改造后，便具有了无源传输线的特性。对于这个新的通信模块，可以得出它H参数二端口模型： （3.16）因此有 根据定义3.1.2有 （3.17）因此有，根据定理3.1.1，改造后的通信环节是无源的。这样，通过引入波变量，就得到了一个具有无源传输线特性的通信环节。这个新的通信环节用波变量来代替原先的功率变量，不论时延T有多大，都可以保证整个遥操作机器人系统的稳定性

43、。3.4 阻抗匹配在自然界的系统中，波在接口处和终止端会发生反射。与之类似，使用波变量方法控制遥操作机器人时，在主端和从端，同样会发生波反射20。这种反射会影响遥操作机器人的控制效果。为了避免反射对控制效果产生的不利影响，需要想办法消除这种反射。波反射产生在通信环节和引入的波变量控制器之间，这种现象由波变量控制器的特点产生。由于波变量控制器将速度和力信号联系在了一起，也就是说波变量控制器把前向通道和反馈通道联系在了一起，所以这里产生了波反射现象。根据式（3.14）和（3.15）可以得到如下等式： （3.18）从公式（3.18）可以看出，每当波Fl和Vr到来时，都会有波Vl和Fr反射回去。波反射

44、不包含任何有用的信息，而且要经过长时间的往复反射才能消失，这就会对整体控制产生干扰，影响控制效果。为了避免波反射，就要对波变量控制器进行阻抗相匹配设计。本文采用在波变量控制器外附加阻抗的方式，附加的阻抗应该直接与系统中的力信号和速度信号相关联。Slotine在论文中指出，用b表示附加阻抗，如果它满足以下条件，那么波反射将被完全消除： ， （3.19）通过在通信环节外附加阻抗的方式来消除波的反射，加入阻抗匹配后的新通信环节结构图如下：FsFs* 波变量FlVlVrFr 波变量 通信环节FmdFmd*VmVm*VsdVsd*图3-3 进行阻抗匹配后的通信环节利用图3-3所示的结构，可以消除波反射的

45、干扰，达到满意的控制效果。3.5 透明性问题3.5.1 透明性的定义对于遥操作机器人系统而言，除了要保证系统的稳定性之外，还要使系统具有良好的操作性。透明性这一概念就是用于描述遥操作系统可操作性的重要指标。透明性是指遥操作机器人系统具有临场感。所谓临场感技术（Telepresence）是指以人为中心，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、力觉、触觉、听觉、运动觉等）实时地反馈给本地操作者（人），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21。临场感技术包括视觉临场感和力觉临场感。文本主要考虑在具有力觉临场感的情况下，主从机器人之间的力和速度跟踪问题，

46、以及本地操作者对远端环境的感知问题。遥操作机器人主要用于危险、恶劣或者人类无法到达的环境中。同时由于操作任务的复杂性，机器人尚不具备独自处理和完成任务的智能，因此还需要操作者的指导。操作者的操纵质量与对远地环境力觉信息的获取能力密切相关。因此，现在双向力反馈控制被广泛应用在遥操作机器人系统中，可以使操作者对返回的力觉信息具有临场感22。如果从端机器人的力感知信息经过通信时延传递给主端操作者后，操作者能够感觉到从端受力的真实情况（即操作者具有临场感），那么操作者就可以准确实时地处理从端机器人的操作任务。在这里，具有这种特征的系统就被称为具有“透明性”的遥操作机器人系统。但是，遥操作机器人的操作性

47、能有好坏之分，也就是说，对它的透明性不能仅仅做定性的分析，还应该进行定量分析。“透明性”所描述的正是遥操作机器人所具有的临场感的程度。下面给出透明性的具体定义：结合遥操作机器人的系统模型和动力学模型，做如下定义：操作者感知到的阻抗： （3.20）环境阻抗： （3.21）定义3.5.123：假设在频域中，操作者“感知”的阻抗可以被定义为式（3.20）形式。那么如果满足式（3.22），就可以说这个遥操作机器人系统是完全透明的。 （3.22）这就说明，在一个透明的遥操作机器人系统中，操作者能够在主端获得从端与环境直接作用的力感觉信息。当从端与环境接触时，环境与从端的作用力为Fe，环境阻抗为Ze，则有

48、Fe=ZeVe。如果从端能够在速度和位置上对主端实现完全跟踪（即Vs=Vm,Xs=Xm），那么由Zh=Ze就能得出Fh=Fe。说明这个遥操作系统具有完全的透明性。但是在实际系统中，不可能实现完全的透明性，这就需要对控制器进行适当的设计来保证系统良好的透明性。3.5.2 时延对透明性的影响从透明性的定义可以看出，当操作者感知的阻抗Zh等于从端的环境阻抗Ze时，遥操作机器人系统具有完全的透明性。由此，可以给出遥操作机器人系统透明性的定量评价指标24： （3.23） （3.24）其中Wmax是系统的最大工作带宽。P越小，则说明系统的透明性越好，当P=0时系统的透明性最好，处于完全的临场感状态。当通讯

49、环节存在时间延时T时，操作者感知到的阻抗可表示为：可以看出，通信时延造成了环境阻抗传递过程中质量、阻尼和刚度的严重非线性失真。系统的透明性指标可以表示为：从上式可以看出，存在通信时延时，遥操作机器人系统的透明性不仅和时间延迟的大小有关，而且还和系统的带宽有关。对于最大工作带宽Wmax 一定的系统，随着时延的增大，系统的透明性以周期的形式降低，当T k / 2Wmax，系统的透明性最差22。综合本章所述内容，系统的稳定性和透明性是遥操作机器人系统最重要的两个指标。稳定性保证了系统是可控制的，透明性描述了系统操作性能的好坏。稳定性和透明性是一对矛盾着的对立统一的概念，只要过分强调了稳定性，透明性必

50、然受到影响，同样，如果过分强调透明性，系统的稳定性又会变差。所以在遥操作机器人的设计中，需要要综合考虑系统稳定性和透明性的要求，设计出合理适中的遥操作机器人系统。3.6 本章小结本章介绍了无源性理论，基于该理论分析了具有大时延的遥操作机器人系统不稳定的原因，并给出了解决不稳定的方法波变量方法。由于时延的存在，通信环节原本的无源性被改变，成为一个有源传输线。而造成整个系统不稳定的原因，就在于通信环节的有源性。因此，通过波变量方法的矫正，通信环节重新具有了无源性，保证了系统的稳定。此外，为了定量地描述系统的操作性能，引入透明性的概念；为了获得更好的控制效果，对波变量进行了改造，通过引入一些相互关联

51、的阻抗，消除了波反射，改善了操作性能。第四章 遥操作机器人的总体控制设计在前面的章节中，已经分析了遥操作机器人系统的体系结构模型、动力学模型，为遥操作机器人系统建立了基于二端口网络的等效模型，又运用无源性理论分析了遥操作机器人系统的稳定性，指出系统不稳定的原因在于通信环节的有源性，它由通信环节的时延产生，最后又给出了改造通信环节使其重新成为无源传输线的办法。本章将在前面分析的基础上，对遥操作机器人进行总体控制设计。4.1 遥操作机器人的控制器设计根据遥操作机器人的动力学方程（2.1）（2.3），重写如下： （4.1） （4.2） （4.3）这三个方程分别是遥操作机器人主端、从端以及环境的动力学

52、模型。其中Mm和Ms分别是主从端机器人的质量系数；Bm和Bs分别是主从端机器人的惯性系数；Me、Be和Ke分别是工作环境的质量、阻尼和弹性系数。对从端机器人，我们采用PID算法进行控制。PID控制算法是在控制领域中经常使用的一种算法，它由比例（P）、积分（I）以及微分（D）三部分组成：（1） 比例（P）控制器比例控制是一种最简单的控制规律，相应的传递函数为：式中，Kp称为控制器的比例增益。在控制系统中使用比例控制器，只要被调量偏离给定值，控制器就能及时地产生一个与偏差成比例的控制信号作用于受控系统来消除偏差，由于比例控制的这种及时控制作用，故在实际控制系统中通常都含有比例控制环节。（2） 比例

53、积分（PI）控制器比例积分控制是在比例控制的基础上再引入一个积分控制项。相应的比例控制器时域中的输入输出关系为：将上式进行拉式变换则可得，比例积分控制器的传递函数为：式中，Ti称作积分常数，它的倒数1/Ti称为积分速度。可以消除偏差是积分控制器的特点。只要有偏差，控制器输出就不断地变化；偏差存在的时间越长，输出的变换量就越大；当输入偏差信号为零时，其输出就不再变化而维持在某一恒值上，故积分控制作用的特点就是力图消除稳态误差。但是积分控制作用也有一定的缺点。它的控制作用是随时间逐步积累的，动作比较迟缓，对系统暂态特性不利。因此积分环节通常不单独使用，而要与其它环节配合使用。（3） 比例积分微分（

54、PID）控制器如果在上述PI控制器中再引入一个微分控制环节，便构成了比例+积分+微分控制器。这一控制器规律的输入输出表达式为：相应的PID控制器传递函数为：其中，Ti称为微分时间常数。微分控制能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势产生超前的“预见”调节作用，以加快系统调节速度，改善系统的暂态性能。在遥操作机器人系统中，由于时延的存在以及操作任务的实际特点，从端机器人的运动是比较缓慢的，对它的暂态特性没有过高的要求，只要能够消除稳态误差就可以了。因此，可以选用PI控制算法来对从端机器人进行控制。于是就可以得到从端机器人控制器的数学模型为式（2.4）的形式，重写如下： （4.4）其中Ps

55、和Ks分别是控制器的阻尼系数和刚性系数。4.2 遥操作机器人的总体控制结构有了遥操作机器人各部分的数学模型后，就可以着手设计系统的总体结构。现在将式（4.1）（4.4）依次进行拉式变换，可以得到： （4.5） （4.6） （4.7） （4.8）根据以上各式可以得到遥操作机器人系统各部分的传递函数，据此，可以得到遥操作机器人系统的总体控制框图：图4-1 遥操作机器人的控制框图图中的通信环节可以使用经过波变量改造后的通信环节：FlFrVrVlFsVsdFmdVm-b通信介质图4-2 经过波变量改造后的通信环节当然，为了获得更好的控制效果，在这里采用经过阻抗匹配后的波变量通信环节，这种通信环节是可以

56、消除波反射的。在后面章节的仿真模拟中，我们将看到，通信环节经过阻抗匹配消除了波反射后，整个系统的控制效果确实得到了改善。FsFs* 波变量FlVlVrFr 波变量 通信环节FmdFmd*VmVm*VsdVsd*图4-3 经过阻抗匹配后消除了波反射的通信环节4.3 本章小结本章设计了遥操作机器人的总体控制结构。在控制器的设计上，采用PI控制；在总体结构上，遵循前面各章提出的数学模型和动力学模型，对通信环节用波变量方法进行改造，并将这些模型进行拉式变换。最后，将这些变换后的模型组合成控制框图，为下面的仿真做好准备。第五章 系统仿真实验使用Matlab软件的Simulink工具包搭建系统模型，对遥操

57、作机器人系统进行模拟，验证波变量方法是否能够很好的控制具有时延的遥操作系统。本文只分析具有固定时延的情况。5.1 对波变量方法的验证首先搭建一个运用了波变量的通信环节，主端和从端都用方波发生器来模拟作用力。这个模型被用来验证波变量方法是否可以保证通信环节的稳定性。系统结构图如下：图5-1 经波变量改造后的通信环节仿真模型在图5-1中，两个方波发生器分别模拟主端和从端的作用力，使用50%的占空比，两个示波器分别显示力跟踪和速度跟踪结果。两个示波器的波形如图5-2和图5-3所示。在这个简单的系统中，方波发生器被用来模拟主从端受到的力，虽然并不真实，但是通过这个系统，可以验证经过波变量改造的通信环节

58、是否稳定。图5-2和图5-3分别显示速度和力的跟踪结果，从曲线的走势来看，波变量被引入后，通信环节确实具有无源性，整个系统是稳定的。通过这个最简单的系统，波变量方法的正确性得到了验证。接下来，更加真实的遥操作机器人系统仿真模型将被搭建，并进行仿真验证。图5-2 力跟踪结果图5-3 速度跟踪结果5.2 更加真实的遥操作机器人仿真模型一个更加真实的遥操作机器人系统应该建立在主从端、环境、以及控制器的数学模型之上。图5-4就是一个更加真实的遥操作机器人仿真模型。在这个仿真模型中，正弦波信号发生器被用来模拟主端操作者施加的力，然后根据公式（4.5）（4.8）分别为主从端机器人、从端控制器以及从端环境建

59、立传递函数模型，并运用波变量方法改造通信环节。在这个系统中并没有消除波反射，所以在下面的波形中可以看到，力和速度的跟踪效果不甚理想，有一定波动。图5-4 更加真实的遥操作机器人系统仿真模型图5-5 力跟踪结果这是一个比较真实的系统模型，这个模型很完整而且有阻抗匹配更加合理的波变量。但是仔细观察波形，仍然可以发现，虽然系统对力和速度的趋势可以做出稳定的跟踪，但是跟踪效果不甚理想，有不小的波动，尤其是速度跟踪结果的波动更大。前面的章节已经说明，直接使用不经改造的波变量会产生波反射，影响控制效果。仿真结果中力和速度的波动，就是波反射造成的，这个结果很好地验证了前面章节中对波反射所作的理论分析。在下面一节中，将在这个模型的基础上，建立一个消除了波反射的系统模型，以获得更好的控制效果。图5-6 速度跟踪结果5.3 消除了波反射的遥操作机器人仿真模型在这本节中，上一小节中的波