（控制科学与工程专业论文）对于远程控制系统的透明度的实时估计.pdf

摘要 摘要 透明度是评价二个远程控制系统的一个重要的概念。当人类操作者感觉到他 是与远程对象直接互动，那么这个远程控制系统具有良好的透明度。在本论文 中，先介绍了一个完整的远程控制系统的建立。然后介绍了在这个远程控制系 统上实施的两种控制方法。根据以往实验的结论，我们推导出一种方法，以量 化该远程控制系统的透明度。并且分析了实验的结果。此外，一个数据减少模 块也被添加到该系统中，以减少传输数据，但保证了依旧良好的远程呈现系统 的透明度。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：临场感，透明度，远程控制系统，实验，数据传输 a b s t r a e t ab s t r a c t t r a n s p a r e n c yi sai m p o r t a n tc o n c e p tt oe v a l u a t eat e l e p l e s e n c es y s t e m w h e nh u m a n o p e r a t o rf e e l st h a th ew a sd i r e c t l yi n t e r a c t i n gw i t ht h er e m o t eo b j e c t s ，t h e t e l e p r e s e n c es y s t e mi so fg o o dt r a n s p a r e n c y i nt h i st h e s i s ，ac o m p l e t et e l e p l e s e n c e s y s t e mi sb u i l ta tf i r s t ，a n dt w oc o n t r o l sa r ei m p l e m e n t e do nt h i st e l e p r e s e n c es y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fp r e v i o u se x p e r i m e n t ，w ef i n daw a yt oq u a n t i f yt h e t r a n s p a r e n c y s ot h i sm e t h o di su s e dt oo u rt e l e p r e s e n c es y s t e m ，m o r e o v e r , al d r ( l o s s yd a t ar e d u c t i o n ) b l o c ki sa d d e dt ot h es y s t e mt or e d u c et h et r a n s m i s s i o no f d a t a ，b u tt h eg o o dt r a n s p a r e n c yi se n s u r e d i nt h ee n dt h er e s u l t so fs e v e r a l e x p e r i m e n t sa ler e p r e s e n t e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa l ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：t e l e p r e s e n c e ，t r a n s p a r e n c y , c o n t r o l s ，l o s s yd a t ar e d u c t i o n ，e x p e r i m e n t ， t r a n s m i s s i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e l j l l l l 本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字亿或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：奎芝 叫年。7 月沙日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月e t 学位论文作者签名：鱼袭 伊7 年。夕月乞日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：知多 j 厶，、 伽7 年。夕月乙日 第1 章引言 1 1 远程呈现 第1 章引言 远程呈现技术允许人们感觉到自己出现在远处的环境，或使人们感觉到自 己和远处环境中的物体发生相互作用。这里的“远处的环境”指的是与人们所 真实所处环境隔离开的另一个环境。远程呈现目的在于，通过向人类操作者提 供实时自我呈现的感觉，取得一种对机器人自然而且有效的远程控制方法。在 1 9 9 5 年，戴维施罗伯把远程呈现正式地定义为“远程呈现是指这样一种情况： 该人客观地出现在了一个真实的环境，但是，这个环境其实在身体上是与他真 实所处环境是隔离开来的”，【1 7 同时，他把“客观地出现”定义为“当且仅当 操作者能够成功地完成一项特殊化的任务时，他才客观地出现在了该环境”。 通过一个远程呈现系统，人类操作者能够在远处的环境发挥其影响。在这种 情况下，人类操作者身体的一部分( 假设为手臂) 的位置，动作，位移等，可能 被传输和复制至远处环境，从而引起相应的效应。信息会在远处环境后天人类 操作者所处的真实环境之间作双向的流通。 通常一个远程呈现系统由三个主要部分组成：人机界面( h s i ) ，通讯系统 ( c o m ) 和远程操作机器( t o ) 。有时候人们将人机界面和远程操作机器分别 又称为主机和从机，它们分别位于不同的空间。 人类操作者能直接和人机界面进行交流，他可以向人机界面输入信息或从 人机界面重新获得来自于远处环境的信息。人类操作者发出的命令信号从人机 界面出发，通过通讯系统，然后传给远程操作机器。该远程操作机器工作在远 处环境。远程操作机器翻译并且执行接收到的命令信号，然后将其在远处环境 的一些主要参数( 例如产生的接触力) 反馈至通讯系统。人类操作者就可以在 人机界面处获得这些信息。图1 1 展示了一个的远程呈现系统的基本结构。 远程控制系统 图1 1 远程呈现系统的基本结构 第1 章引言 远程呈现的应用范围非常广泛。它可以被应用于艰险或危险的环境，例如 核辐射区，高温高压区，深海区和外层空间区。它还能被应用于远程外科手术， 远程娱乐，远程维修( 例如管道检查) 等领域。 1 2 概述远程呈现系统的透明度 远程呈现系统应该尽可能地透明，从而用户可以精确而且有效地完成工作。 完全的透明度意味着，人类操作者所接受到的所有变量，即入机界面展示的所 有变量应当与远处环境中的那些变量一致。在人类操作者和系统间的多种通讯 形式的结合应该可以增强他在远处环境的呈现感。这里的“呈现感”反映了人 类操作者沉浸于该远处环境的深度，换而言之，“呈现感”就是指人类操作者感 觉自己真的处于该远处环境的程度。一般假定如果人类操作者的呈现感越强， 他越能够有效得完成他的工作。因此在远程操作机器处产生的接触力应当被反 馈至人机界面，以增强人类操作者的临场呈现感。但即便如此，对于远处环境 的复制展示至今还是有缺陷的。因此当前研究的目的在于怎样给予人类操作者 关于远处环境的更完整的复制信息，从而使人类操作者和远程呈现系统之间的 交流变的更加自然。 这个研究领域的关键在于，通过对远程呈现系统合理地构建和控制，获取 尽可能高的透明度。为了实现这个目标，人的感觉和对于系统的控制的结合应 当首先被考虑。因为人的感官器官不可能分辨每一个小的细节。甚至个别特征 的差异也只有达到一定的不同程度才能被识别。根据这个事实，为了达到最理 想的人机交流，应当事先了解和熟悉对于个别特征可能的主要影响因素以及感 觉通道之间产生的相互作用。 1 3 内容结构 在本篇硕士论文的框架中，一个远程呈现系统被构架形成。 在第二章中，相关的背景理论被详细地介绍。主要包括两个部分：对于触 觉式远程呈现系统的控制以及透明度。接下去在第j 章中详细地介绍了本课题 所构建的远程呈现系统的具体结构。在这一章，人机界面，通讯系统，远程操 作机器以及远处环境都被详尽地展示和介绍。第四章介绍了两种存该远程呈现 系统上执行的控制方法：导纳控制和力一速度的控制。第五章介绍了对本课题 的远程呈现系统的透明度的评价方法。在第六章介绍了相关实验的设计和实施 2 第l 章引言 过程。最后一章是对本课题的总结和对未来研究方向的展望。 3 第2 章背景理论 第2 章背景理论 2 1 触摸式远程呈现系统的控制 触觉是指“属于或关于触摸的感觉”。触觉技术涉及到这样一种科学技术， 通过人类操作者施加力而获得触摸的感觉，该技术作为一个界面服务于人类操 作者。目前，这种感觉已经成为一个标准术语来描述远程呈现领域的研究和科 学技术。触觉反馈与以下两个认知的感觉密切相关：触摸的感觉和肌肉运动知 觉的感觉。前者通过人类操作者部分身体的表面给予其信息，后者向人类操作 者提供了关于其部分身体的位置和运动的信息。触摸的感觉总是包括了人类操 作者的机械能和信息与远处环境的机械能和信息的交换。一个基本的触觉远程 呈现系统包括一个人机界面和一个远程操作机器。人机界面能够实现力的反馈， 而远程操作机器能够与远处环境进行直接的相互作用。 2 1 1 四通道结构 图2 1 四通道远程早现系统的结构图 4 远处鲜境 远处撵侔 机器 通讯系统 人机界渐 人类 操f 二行 第2 章背景理论 一个四通道结构的远程呈现系统，即一个双边的远程呈现系统可以是一个 位置和位置控制结构的远程控制系统【1 4 】，或是一个位置和力控制结构的远程控 制系统【4 】等等。在一个位置和位置控制结构的远程控制系统中，位置信号从人 机界面发出，通过通讯系统，作为一个命令信号传递给远程操作机器。而从伺 服控制器中的位置信号再作为一个位置的反馈信号返回给人机界面。 与位置和位置的控制结构的远程呈现系统一样，在位置和力控制结构的远 程呈现系统中，位置信息仍旧作为命令信息由人机界面发送给远程操作机器。 但不同的是，在远程操作机器处产生的接触力会直接作为一个反馈的信息传递 给人机界面。在这个力信息反射的控制结构中，当从伺服控制器能够忠实地跟 随主机的动作，并且人机界面能够正确地获得反馈力信息，那么人类操作者应 当能够感觉到他直接在远处环境操作远程操作机器进行工作。换而言之，在此 情况下人类操作者应当和远程操作机器一样，经历与远处环境中的任务相互作 用的过程。 一个四通道结构的远程呈现系统包括了带有一定自我控制能力的主从机械 系统，这意味着，围绕着主机械系统和从机械系统分别独立地存在着闭合的控 制环路。例如，在位置和位置控制结构的远程呈现系统中，主机和从机各自拥 有位置控制的环路，它们使能够追踪位置的命令。除此之外，主机和从机之间 的通讯系统也拥有控制环路。 图2 1 4 描述了一个完整的一般性的四通道控制结构的远程呈现系统。它 包括了人类操作者，双边通讯系统，主从机器和远处环境。当子系统的动力学 模块被合理地特殊化之后，图2 1 的结构能够表现所有远程呈现系统的结构。 模块c l ，c 2 ，c 3 和c 4 是四个通讯通道。c l 和c 4 是速度信息通道，而c 2 和c 3 力信息通道。对于一般的位置和位置控制结构来说，通道c 2 和c 3 被忽略。例如， 文章【6 】中一般化了位置和位置控制结构的形式。【1 5 ，【2 l 】和【8 】讨论了位置和力控 制结构的策略。在文章 2 1 q b 建议了一种力和力的控制结构。但是对于其他的结 构，在文章 1 8 】和【l 】中四个通讯路径c i ，c 2 ，c 3 和c 4 都被建议了。 参数c 。( 指标s 代表了从机) 和c m ( 指标m 代表了主机) 分别代表了从控 制和主控制。z 。和z m 分别代表了从阻抗和主阻抗。z e ( 指标e 表示远处环境) 和z h ( 指标h 表示人类操作者) 是远处环境中对象和人类操作者的阻抗。f 。木和 f h 木是外部力，它们与远程呈现系统的行为无关。 为了获得良好的透明度，四个信息通道是非常重要的。这将会在2 2 1 节 详细介绍。 5 第2 章背景理论 2 1 2 力和速度的控制结构 在这一节里，力和速度控制结构的触摸式远程呈现系统的基本模型会被详 细地介绍。 l i 一 1 2 _ n v v i 7 1 ：广11 ：一 八，w ，。 | 士 f 由e i p j - 6 p 。f 。f 。 o i l lj 1y ij f + f 。 i 。t 一一一 人甍 ! 撩件抒j 人帆界 i ：i ： 远链操作机器 ：近处环境 图2 2 力和速度结构的远程控制系统的框图 1 人类操作者和人机界面 人类操作者手臂的动力学可以被简化为一个线形系统。假定它只拥有一个 平移的自由度。 m 。v 。= r 一 ( 2 1 ) 上式中m 。表示了人类操作者手臂的重量，f o m ( 指标。表示人类操作者，指 标i t 表示肌肉) 表示肌肉的力矩，而。( 指标e 表示外部的) 表示外部的力矩。 所以可以用来表示施加在人手臂上的力： l o = ：一l ： q 人机界面也被考虑成一个拥有一个平移自由度的机械机器人。它假设是僵 硬的，而且由一个电机驱动。电机和齿轮被仿真为一个一致的整体。并且它们 的重心位于移动的轴心上。力和速度传感器的重量假设为零，而且假设它们都 6 三 y 三 z 、一 乙呻 讯缓 邈彖 第2 章背景理论 有理想的效果。 下面的等式给出了人机界面的动力学的模型： 一彤 1 t + 刀 = g 一彳 ( 2 3 ) 其中m h ( 指标h 表示人机界面) 表示人机界面的重量。n h 包含了由重力和 摩擦力产生的线性的和非线性的力。g h 表示了由人机界面的电机产生的力。参 数矗。表示施加在人类操作者手臂上的力，该力由安装在连接处的传感器测得。 根据文章 1 l l 输入输出线性化( 计算力矩方法) 可以通过包含一个新的力而 实现： g = 片+ r l ( 2 4 ) 其中矗m 代表了这个新的力，它是由线性化人机界面以后产生的结果。根据 公式( 2 。3 ) 和( 2 。4 ) ，可以推导出下面的公式。它描述了人机界面的动力学： 一m 。= f ：一f ： ( 2 5 人类操作者手臂的移动速度的值等于人机界面的速度。但是他们的方向是 相反的。 v = 一v 。 ( 2 6 ) 从而推动人机界面的力是n l ，而人机界面的动力学由下面的等式来描述： 一m 1 。= ( 2 7 ) 这里力f h 等于f h m f h 。 人机界面还接受到通过通讯系统从远程操作机器处反馈回来的力。力牮( 指 标c 代表了通讯系统，指标t 代表了远程操作机器) 代表了这个反馈力。使用参 数c f ( 指标f 代表了力) 来代表力的控制模块，它保证了不考虑人机界面的惯性 情况时，人类操作者能够感觉到该反馈力。由此我们可以等到下面的等式： 片= g h ( c ，( z 一片) ) ( 2 8 ) 上式申的g h 表示激励的动力学。它由电流控制模块的动力学来近似。 2 通讯系统 在本课题中，通讯环节的延时没有被考虑。因为通讯环节中的延时会造成 系统的不稳定。所以，这里的通讯环节被建模成为一个理想的通讯环节。它不 会对远程呈现系统有任何影响。 7 第2 章背景理论 3 远程操作机器和远处环境 一个机械装置拥有与人机界面相同的结构配置。它代替人类操作者在远处 环境完成工作。它被称做从机，也就是远程操作机器。远程操作机器的动力学 等式可以由下等式给出： m ，也+ 拧，= g ，一z ( 2 9 ) 其中参数m 。( 指标t 表示远程操作机器) 表示远程操作机器的重量。n 。包含 了由重力和摩擦力产生的线性的和非线性的力。g t 表示了由电机产生的力。参数 华( 指标e 表示外部的) 表示由外部环境施加在远程操作者上的力，换而言之， 由远处环境芦加的力。 根据文章 l b 0 3 ，输入和输出线性化( 计算转矩法) 可以由包含一个新的 力来实现。 g 。= z ”+ 刀， ( 2 1 0 ) 其中m 代表了这个线性化远程操作机器的新力。根据公式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ， 可以推导出下面的公式。它描述了远程操作机器的线性化后的动力学： m ，廿，= z ”一z 。 ( 2 1 1 ) 从而作用在远程操作机器上的力是f t ： m ，移，= z ( 2 1 2 ) 这里力等于酽牮。 参数c 。( 指标v 代表了速度) 来代表速度的控制模块。v t 。( 指标c 表示通 讯系统，指标t 表示远程操作机器) 表示从人机界面发出并通过通讯系统的作为 命令信号的速度值。 ：“= g f ( c ，( 1 ，；一 ，。) ) ( 2 1 3 ) 参数g 。表示激励的动力学。它由电流控制模块的动力学来近似。远程操作 机器的机械臂与远处环境的被工作对象紧密接触，因此，远程操作机器机械臂 移动的速度和远处环境的被工作对象的移动速度是相同的，可得： e = 匕 ( 2 1 4 ) v 。和v 。分别是远程操作机器机械臂移动的速度和远处环境的被工作对象的 移动速度。 8 第2 章背景理论 最后，这个远程呈现系统可由图2 2 中的模型表示。 2 2 理想的透明度 珊得黑尔谢把最理想的透明度定义为，在一个透明的远程呈现系统中，“人 类操作者不应该感觉到技术系统和通讯系统的存在，也就是说，人类操作者应 该感觉就好象是自己直接出现并且在远处环境中活动”【1 6 】。然而在事实上，评 价一个远程呈现系统并不是一件容易的事情。戴勒劳伦斯指出“量化远处呈现度 是件更加困难的事”。因为“人类的的相关经验会影响其在一个物理环境的自我呈 现度” 2 0 】。另一方面，从工程师的观点看来，绝对理想的透明度是不可能达到 的。但是人类操作者的触摸感觉有一定的限度，因此，一个技术上来说不透明 的远程呈现系统对人类操作者来说很有可能仍然是透明的。 2 2 1 劳伦斯的观点 劳伦斯把透明度考虑为一种对一个远程呈现系统的性能测量标准。但是什 么时候我们可以说一个远程呈现系统是透明的，或者不是透明的呢? 谢尔丹在 他的文章【6 】中写道“理想化的，操作员感觉到他们正在和远处的任务进行直接 的交流，那么这个远程呈现系统可以说是完全地透明。”这意味着，信号( 位置， 速度，力等) 在主从机器之间的传递应当是非常忠实可靠的。所以人类操作者 能够感觉到自己直接地，或者说近乎直接地与远处环境中的对象进行互动。换 而言之，他们有这样的感觉：他们离那些远处环境中的对象距离非常之近。 当远程操作机器触碰到远程环境中的对象( 我们简称其为远处物体) 时， 旌加在远程操作机器手臂上的力f 。与远程操作机器手臂移动的速度v e 一定存在 着一定的关系，它们不是相互独立的。我们假设远处物体的阻抗z c 联系着这两 个信号： e = z 。( 圪) ( 2 1 5 ) 同样地，当人类操作者的手臂触碰到人机界面时，他施加在人机界而上的 力f h 和人机界面可移动部件的速度v h 也拥有一定的联系，可假设它们通过阻抗 z 。相关联。 e = z ，( 圪) ( 2 1 6 ) 9 第2 章背景理论 如果远程呈现系统是完全透明的，那么人类操作者就能感觉到他们就像在 远处环境中直接触摸远处物体一样。那意味着，当人类操作者施加在人机界面 上的力f h 与施加在远处操作机器上的力f 。一样时，它们的运动也应该是一样的： v h = v e 。f h 和v h 的关系应该与f 。和v 。的关系一样。以下就是劳伦斯的远程呈现 系统透明的条件： z ，= z 。 ( 2 1 7 ) z ，一 z 一 图2 3 一般的远程控制系统的两端口模型 在图2 3 中展示了一个远程呈现系统的两端口的模型。这个远程呈现系统t 分别用两个端口将远处环境中的速度v 。和力f 。与人类操作者方面的速度v h 和 力f h 联系起来。远处物体的阻抗值z 。通过远程呈现系统t 发送给人类操作者。 参数z h 表示了人类操作者身体的阻抗值。而等效阻抗值z t 代表了这个远程操作 系统t 和远处物体的阻抗值。z t 被直接传送给人类操作者，并且是远处物体阻 抗值z c 的一个函数。这个函数对于描述该远程呈现系统的透明度来说非常重要。 因此，透明度只涉及到远程呈现系统t ，而且既不和远处对象的阻抗值z 。，也 不和人类操作者身体的阻抗值z h 相关。 带有适合的稳定性和透明度特性的远程呈现系统的被线性化的行为，对与 良好的透明度来说，是一个很重要的条件。文章【4 】描述了这种被线性化的行为。 因此整个远程呈现系统能够通过拉普拉氏变换在频域中被描述。根据文章 【7 】， 6 1 ， 8 1 - - - 端v 1 模块t 的一般混合矩阵形式表达为： ie o l _ iq o ) h - zo ) 0 圪l ( 2 1 8 ) l 圪( s ) j 【- h ：。( j ) h z ：( s ) j l c j 1 0 第2 章背景理论 根据远处物体的阻抗值，我们能得到下面的等式： e ( s ) = z e ( s ) 圪( j ) ( 2 1 9 ) 根绝公式( 2 1 8 和( 2 1 9 ) 我们能够估计出远处环境中的力f 。和速度v c 。最终 我们能够通过等效阻抗z t 得到人类操作者一侧的力f h 和速度v h 。 吒= 瓦( h l l j - - h 历1 2 z , ) 圪 ( 2 2 。) 其中z ，= 而h , i - h 1 2 z , 分析等式( 2 2 0 ) 可以得到以下的结论： 1 当h 2 2 = 0 ，h 2 i z 。= z 。( - h 1 2 ) ，并且h l l = 0 ，那么就可以达到最理想的透明 度( z t = z 。) 2 如果z 。趋向于零并且h l l 不等于零，那么z t 只和h 1 lh 2 1 1 相关。z 。对 被传输的阻抗来说几乎没有影响。 3 如果z ；趋向于零并且h 2 2 不等于零，那么z t 只和h 1 2i - 1 2 2 1 相关。z 。对 被传输的阻抗来说几乎没有影响。 z t = z 。 - 图2 4 劳伦斯的理想透明度 第2 章背景理论 人机界面和远程操作机器的机械动力学和控制结构对参数h i i 有很大的影 响。因此，找到一组混合参数来满足最理想的透明度的条件：z t = z 。( 见上面结 论1 ) ，是非常困难的，甚至是几乎不可能实现的。所以我们只能把注意力集中 在发现对于该远程呈现系统的能力的实际限制的影响的工作上，该能力指传输 远处环境中的阻抗到人类操作者的能力。 根据等式( 2 1 8 ) ，我们能够解出图2 1 中的远程呈现系统v c ，f e 和v h ，f h 之间的传递函数。因此我们能够得到下面的混合参数： 凰：亟刍丝曼二里必 ( 2 2 1 ) “ ( c l + c 3 z 。+ c 3 c 。) h i 2 ：坠刍型二刍型：刍 ( 2 2 2 ) ( c l + c 3 z 。+ c 3 c 埘) 以。：坠g 二竺! 型 ( 2 2 3 ) “ ( c l + c 3 z ，+ c 3 q ) e ，： 垡二竺! 篁! ! ( 2 2 4 ) “( c l + c 3 z 卅+ g g ) 控制参数c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 ，c m 和c 。以及机械阻抗z m 和z 。可以被选择，以 达到一组适合的混合参数h i i 。在等式( 2 2 0 ) 中使用等式( 2 2 1 ) ( 2 2 4 ) ，我们 可以得到一个一般的远程呈现系统的对于透明度的表达。用这个表达我们就能 够比较不同结构的远程呈现系统的透明度的功效。 2 2 2y o k o k o h j i 的观点 y o k o k o h j i 在他的文章 2 2 1 把远程呈现系统命名为主从机系统。主机是人机 界面，而从机是远程操作机器。他使用“理想的反应”来评价远程呈现系统， 这其实就是“理想的透明度”。 1 一个简单的远程呈现系统的模型 y o k o k o h j i 建立了一个简单的远程呈现系统的模型来分析对于“理想反应” 评价。其十从机的手臂分别只有一个自由度。该模型在图2 5 中被展示。 等式( 2 2 4 ) 描述了在这个远程呈现系统中人机界面的动力学。参数m m 和 1 2 第2 章背景理论 b m 分别表示人机界面( 主机器手臂) 的重量和粘性系数。x m 是主机械手臂的位 移。缅表示人类操作者施加在主机械手臂上的力。代表主机械手臂的驱动力。 毛+ 厶= m 。i 。+ k ( 2 2 5 ) 在远程操作机器( 从机械手臂) 一侧，y o k o k o h j i 使用等式( 2 2 6 ) 来描述 这个简单远程操作系统的从机械手臂的动力学。参数m 。和b 。分别表示远程操作 机器( 从机器手臂) 的重量和粘性系数。x s 是从机械手臂的位移。表示从机械 手臂施加在远处环境中物体上的力。t 。代表从机械手臂的驱动力。 f 。一z = m ，_ j f ，+ 6 j 戈， ( 2 2 6 ) 等式( 2 2 7 ) 描述了远处环境中与从机器手臂相互作用的物体的的动力学。 它被建成一个弹簧阻尼重量系统的模型。从机械手臂与远处物体紧密连接，因 此，从机械手臂与远处物体的移动速度是相同的。参数m 。，b 。和c w 分别表示 远处物体的雹量，粘性系数和硬度。 z = 肌。戈，+ 6 。戈，+ c ，x ， ( 2 2 7 ) 等式( 2 2 8 ) 描述人类操作者手臂的动力学。参数m 。p ，b 。p 和c o p 分别表示 人类操作者手臂的重量，粘性系数和硬度。下代表人类操作者手臂的肌肉产生 的力。 f q p 一厶= m 节戈。+ ( 6 印- i - c 叩x 。) ( 2 2 8 ) 与等式( 2 2 7 ) 相同，人类操作者手臂和主机器手臂的移动速度是相同的。 因为人类操作者的手臂与主机器手臂运动时是不分离的。换而言之，人类操作 者一直紧紧地抓着主机器手臂，并丝毫不放松。 根据文章【9 】，需要注意到的是，与人类操作者相关的参数b o p 和c o p 并不是 常数。 1 3 第2 章背景理论 图2 5y o k o k o h j i 的简单远程控制系统的模型 2 理想反应的定义 y o k o k o h j i 把下列三种反应定义为上述简单远程呈现系统的理想的反应。 1 理想反应a ：无论物体的动力学如何，主机器手臂的位移x m 和从机 器手臂的位移x 。应当是相同的。等式2 2 9 描述了这种情况。 工。= x ， ( 2 2 9 ) 2 理想反应b ：无论物体的动力学如何，在人类操作者输入的力卸 的情况下，力的反应f m 和应当是相同的。等式2 3 0 描述了理想反 应b 。 厶= 六 ( 2 3 0 ) 3 理想反应c ：无论物体的动力学如何，在人类操作者输入的力b ， 的情况下，主机器手臂的位移x m 和从机器手臂的位移x 。相同的同 时，力的反应f m 和e 也应当是相同的。等式( 2 3 1 ) 描述了理想反 应c 。 红。= x s ) & ( 厶= 丘) ( 2 3 1 ) 理想反应c 意味着，人类操作者能够感觉到他直接地触摸和操作远处环境 中的物体。这种情况下，该远程呈现系统拥有最理想的透明度。引用y o k o k o h j i 的论述：“理想反应c 可以被看作主从机系统的最终目的：理想的s t s j 运动知觉 的耦俞”。 在理想反应c 的情况下，通过使用如图2 6 所示的二端口网络，y o k o k o h j i 1 4 第2 章背景理论 推导出人类操作者一侧的输入阻抗值z i n 与远处环境的负载阻抗值z l 相同。下 面的等式描述了这样的情况： z 肼= z l ( 2 3 2 ) 这个等式表示人类操作者能够通过该远程呈现系统感觉到远处物体的阻抗值。 v 卵t - - - - 卜 一 ， j 一一互正 、， t v 。z l) v 。f z l nz o u t j _ 1 广一 i ， 0 2 2 2 其他 图2 6y o k o k o h j i 的两端口网络模式 1 谢尔丹的远程呈现模型 谢尔丹把远程呈现描述为“感觉重要的信息和与人类以非常自然的方式交 流这些信息的理想，因此她能感觉到她的身体在远处一侧出现了。” 谢尔丹认为远处呈现类似与一种现象，而在这种现象中，人类操作者会失 去他对所处真实环境的意识。远处呈现的程度有三个主要的决定因素 s h e 9 2 ： 1 展示给人类操作者的感觉的信息的忠实度和富裕度。 2 在远处环境中传感器控制的灵巧度。 3 对远处环境的影响的能力。 谢尔丹使用感觉的忠实度将以上三个决定因素与概念“完美的呈现”联系 起来。相较于感觉的可操作能力，感觉的忠实度对个人呈现有更大的影响。但 是目前为止，还没有任何证据论述这些元素对于测量远程呈现的影响。 2 查尔扎的“a l p ”模型 查尔扎关于远程呈现的思想是建立在这样一个观点上“远程呈现是一种在 某个世界出现的感觉”【2 3 。在他的假想中有三个图解的仿真的重要的特征。 1 自主性( a u t o n o m y ) ：人类操作者控制的程度，它表达了有多大可能该世 界有能力仿真在一个物理世界的相互作用。 1 5 第2 章背景理论 2 相互作用( i n t e r a c t i o n ) ：实时控制的能力。这是模型对于用户实时输入的 能力。 3 呈现( p r e s e n c e ) ：感官反馈的带宽。它描述了系统输出信息和接受信息 的效果。 查尔扎的“a i p 立方体”的三条轴分别代表了自主性，相互作用和呈现。 在这个立方体中的某一个点代表了某一个远程呈现系统。查尔扎相信，三个轴 坐标都为最大的点代表了一个虚拟现实的系统。而他同时认为，世界上没有理 想的普遍可利用的系统。 1 6 第3 章本远程呈现系统的构建 第3 章本远程呈现系统的构建 远程呈现系统包括下列基本元件：人机界面，通讯系统，远程操作机器和 远处环境。每个元件被单独地考虑和设计，最终所有元件会作为一个完整的远 程呈现系统被组装在一起。这些重要的元件会在这一章被详细地介绍。 3 1 人机界面 人机界面是远程呈现系统中基本的元素之一，它支持人类操作者与系统之 间的相互作用。使用本系统的人机界面，人类操作者可以感觉不同的橡胶立方 体的软硬度。人机界面最基本的元件有触摸界面和视觉展示屏。 3 1 1 触摸界面 当我们观察挤压一块橡胶立方体的过程时，我们可以发现，橡胶体形变的 深度和橡胶体硬度的关系会发生变化，我们通过感觉触摸反馈力了解了这个现 象。触摸界面的目的是仿真对于不同橡胶立方体的硬度的反馈力。这个任务是 通过两个机器部件来实现的。每个机器都装有一块坚硬的金属手柄。人类操作 者可以用大拇指和食指来抓住这两个金属手柄。这两个机器会产生反作用力， 反作用力与手指挤压的深度和所要求仿真的硬度相关。这两个机器是由一台个 人电脑所控制，仿真的频率是一千赫兹。所仿真的橡胶立方体的硬度能够通过 改变m a t l a b s i m u l i n k 中的相关模块的参数来改变。 1 硬件的基础 接下来人机界面中所用到的硬件将会被详细介绍。这个s c a r a 机器人系统 由两个完全相同的一个自由度的s c a r a 机器人组成。它们最初属于一篇学士论 文【1 0 】。它曾经作为慕尼黑工业大学自动控制教席的一个远程呈现系统被组装和 发展。在那个远程呈现系统中，一个s c a r a 机器人作为h i s 被使用，而另一个 则被作为远程操作机器使用。 从文章【1 0 】中，我们可以了解到，这个系统有非常小的固定负载，非常小的 动量，以及相对大的硬度。因此，对于不同的控制技术分析来说，它都具有很 17 第3 章本远程呈现系统的构建 好的应用性。 图3 1s c a r a 机器人的结构 在这个机器人系统中，使用了m a x o n 公司生产的电机。每个s c a r a 机器 人装有两个电机。下面是该电机的一些重要参数：功率是2 2 瓦特，可产生的持 续的扭矩是3 3 3 毫牛米。谐波齿轮传动比为1 0 0 ：l 。电机和该谐波齿轮传动的 构建非常紧凑，所以它有很好的精确性。一个编码器被安装在每个电机的轴的 边缘。每当电机旋转一圈，这个编码器会递送出1 0 0 0 个脉冲。使用该编码器可 以测量出机器人手柄旋转的角度。两个电机都是由装在外部电子控制箱的p w m 放大器来进行控制。因此电机可以直接被一个模拟的电压信号( 最大5 伏特) 来进行控制。在外部电子控制箱中从机器人处测得的信号会被预先处理。而手 柄形变产生的力可以通过安装在手柄根部的压力传感器测得。这两条手柄的形 状设计是为了减少它们的形变，这意味着，这两条手柄的形状设计是为了限制 最大可能产生的仿真硬度，即最大的可展示的反作用力。 总而言之，这个s c a r a 机器人系统非常适合仿真橡胶立方体的硬度。 2 对原s c a r a 机器人系统的修改 修改这个s c a r a 机器人系统的目的首先是使新的远程呈现系统能够更好 地描述橡胶立方体的硬度。首先两个次级的机器人手柄的相同的装配结构必须 改变成为镜对称模式。这个方法保证了每个s c a r a 机器人的最后的安装与彼此 1 8 第3 章本远程呈现系统的构建 尽可能地远离。这样就保证了手柄可以自由活动的空间。这个方法同时还保证 了，在电机转相同的角度时，作用在两个手柄上的仿真产生的力也相同。因此， 对力的传感器所测的力的估评变的简单。 被动旋转的手柄被安装在电机上。这些手柄拥有结实的铝制的主体，以保 证所仿真产生硬度的真实性。而且一块硅树脂的小片被贴在每个手柄末端的手 指接触金属块上，这样手指抓住手柄的感觉变的更加自然和真实。硅树脂的小 片的厚度非常小，因此它们的形变可以忽略。使用现成的s c a r a 机器人系统， 我们可以描述一个位于一定范围内且形变的立方体。每个s c a r a 机器人的主级 电机被放弃使用，只保留次级电机，这样每个s c a r a 机器人都只有一个自由度， 从而在每次测试中人类操作者的手指都能在相同的位置感觉橡胶立方体。为了 应用的简便化，主级电机上连接的两块金属条被固定在两个牢固的金属支架上。 没有用到的电机没有与p w m 放大器相连接，这样可以避免那些电机在意外情况 下被启动而造成对系统的毁坏。在图3 1 中展示了这个s c a r a 机器人系统的结 构。 3 电脑的结构 一台时钟频率是2 8 0 0 m h z 的普通的个人电脑被用于控制该s c a r a 机器人 系统。这台电脑还装配了传感器$ 6 2 6 数字模拟转换器芯片，该芯片经常用于自 动控制教席。该教席认为2 4 位计数器能够同时读取六个编码信号，并且六个通 过1 6 位数字模拟转换器转换而得的模拟输出可以被用于控制，例如p w m 放大 器，它的1 2 个1 4 位转化而得的模拟输出以及4 8 个数字通道可以自由地作为输 入或输出。因此，转换器芯片拥有足够大的容量来服务整个系统。 4 软件 该电脑使用g e n t o ol i n u x 系统作为操作系统。该操作系统在本教席是标准 的操作系统，它支持实时应用界面( r f a i ) 。实时应用界面和它的驱动器一起结 合在内核中。它能够在实时的条件下执行几乎每个已经适当地编译过的程序。 控制的所有算法是通过m a t l a b s i m u l i n k 来创建的。用这个软件的帮助，实 时的代码可以被简单地生成。因为所有重要的界面，例如传感器：卷片或使用s f b 通讯的网络的输出，都可以作为一个功能模块的形式在m a t l a b s i m u l i n k 中被使 用。当然独立的c 语言代码程序也可以被牛成和结合。通过鼠标对每个功能模 块的拖曳和松开，很容易就能够在棚对短的时间里创建一个控制模型。这个模 1 9 第3 章本远程呈现系统的构建 型能够被独立地转换成一组实时的代码。 t 2 图3 2 接触界面的动力学模型 5 动力学的模型 在这里两个s c a r a 机器人之间的合作会被详细地介绍。两个s c a r a 机器 人都由相同的元件组成，而且它们拥有一个镜面对称的结构。每个机器人都有 一个旋转的自由度来，改变手指和手柄末端金属板的接触点的位置。当电机旋 转的时候，因为机器人的手柄相对与电机直径比较长，因此即使电机的旋转角 度很小，但是接触点在x 方向上的位移都已经足够大了。但是，与此同时，接 触点在y 方向上的位移非常地小，以至于可以被忽略。在图3 2 中描述了上述 情况。 大拇指和食指总是保持相同的高度，尽管被动旋转的接触点的对称的位置 控制位于两个手柄的末端。因为如果角度仅仅有很小的变化，在每一个操作条 件下，人类操作者给出的力可以通过与手柄原来位置垂直作用的力来近似。这 个被给出的力能够精确地被展示，其最大值是3 5 牛。 在图3 2 中v l 和v 2 表示两个手柄末端接触点的移动速度。参数l 代表手柄 的长度。1 。和，2 。是由人类操作者给出的力。t 1 和t 2 分别表示两个次级电机 的转矩。因为这个机器人系统山两个只有一个自由度的机器人组成，所以每个 2 0 第3 章本远程呈现系统的构建 机器人的动力学的前向解决方法是： x ，= s i n ( a j ) ， ( 3 1 ) 上面等式中的x i 表示在原始位置下的x 方向的位移，而这个位移是压力深 度的标尺。因此大拇指和食指之间的距离x w 可以由下等式得到： x 。= x w o x l x 2 ( 3 2 ) 在上式中x l 和x 2 是每个接触点的位移。而x w 。表示两个接触点移动以前的 最初的距离。如果人类操作者不施加力，s c a r a 机器人的两条手柄的接触点将 位于一个固定的基准位置。当两个接触点被同时往里挤压是，力f o 。l 。和2 。将会 施加到这两个接触点上。在两个接触点之间阻抗y ，( 1 ( ) 被装载。这个阻抗与所描 述的橡胶立方体的硬度对应，并且它能够在实验中通过程序的一个高级结构被 改变。每一个机器人系统拥有自己独立的速度控制器。这个速度控制器调整被 阻抗向后命令的速度。 3 1 2 显示屏幕 图3 3t f t 显爪屏幕 一台t f t 的显示器被安装在人机界面的支架上，并且它在6 0 赫兹的循环频 2 1 第3 章本远程呈现系统的构建 率下，拥有1 2 8 0 x 1 2 1 0 像素的分辨率功能。 这台邛t 屏幕被4 0 的倾斜着并且沿着人类操作者手臂的视线安装在该金属 支架上。因此，当人类操作者注视着显示器时，他无法看到显示器底下的s c a r a 机器人系统，但是他会感到他就好像正在看着自己的手臂。 人类操作者能够在这个显示器中看到远处环境中的情况，与此同时，两条 绿色的标准比例尺也被展现在摄像头拍摄的画面中。其中j 条标准比例尺表示 整个远程呈现系统的透明度的值，它的取值范围是从0 0 到1 0 。另一条标准比 例尺表示了人机界面的输入硬度的数值k ，它的取值范围是从0 到8 0 0 0 。在每 条标准比例尺上分别有一个绿色的小圆，它们代表了透明度t 和硬度k 实时变 化的数值。这样人类操作者就能将他们看到的透明度t 数值与他自己的感觉作 比较，从而得到一个对人机界面输入阻抗值的较客观的的感知。 这两条标准比例尺是用软件o p e n c v 编写的，该软件是英特尔 公司开发 的开源图像处理和计算机视觉函数库。它由一系列c 函数和少量c 抖类构成， 实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。 至于如何计算得到远程呈现系统透明度的方法将会在第五章中详细介绍。 图3 3 是人类操作者在人机界面所能够看到的画面。 3 2 通讯系统 本远程呈现系统的通讯系统部分由两台普通的个人计算机组成，通讯功能 通过i n t e m e t 实现。 3 3 远程操作机器 本远程呈现系统的的远程操作机器是一个拥有一个自由度的手爪。这个手 爪也有两个手柄，每个手柄的根部都装有一个力的传感器，并且传感器测得的 触摸力会传回人机界面。这个手爪被编程实现为在m a t l a b s i m u l i n k 中的一个功 能模块。该功能模块可以有三个运行模式：电流驱动，位置驱动和速度驱动。 作为输出，手爪的手柄的移动速度和实时位置可以传到人类操作者一方。 3 3 1 硬件 2 2 第3 章本远程呈现系统的构建 作为远程操作机器的手爪被固定在一个牢固的金属支架的底部。在这里手 爪的特性将被介绍。 图3 4 远处操作机器 这个手爪是由德国s c h u n k 公司制造的双并行手指伺服电手爪p g 7 0 。它 有两个手指，每个手指的移动范围是从0 到3 5 毫米。可持续的抓力可达到2 0 0 牛顿。而最大抓力和最小抓里分别是2 0 0 牛顿和3 0 牛顿。手爪的重量是1 4 千 克。抓紧时间和松开时间都是1 1 秒。手指最大的可接受长度是1 4 0 0 毫米。这 个手爪可以在5 摄氏度到5 5 摄氏度之间的环境中良好地工作。手指移动的最大 的速度可以达到8 2 0 毫米每秒。手爪的手指的最大加速度可以达到3 2 8 毫米每 平方秒。 手爪的电气操作特性有：终端电压是2 4 0 伏特，而额定电流是2 2 安培。 控制器的电气操作特性有：电源电压是2 4 0 伏特，额定电流是0 5 安培，传感 器系统是编码器。手爪和电脑之间