摘 要摘 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 - 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 complex tasks, often difficult 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 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 two-port network theory and builds a two-port network model for teleoperation. Secondly, based 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 designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm.Keywords: robotics teleoperation two-port network passive control目 录目 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Robonaut2。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。