（控制理论与控制工程专业论文）基于internet的遥操作机器人系统时延控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 遥操作机器人特别是具有力觉临场感的遥操作系统极大拓展了操作者的感知 和控制能力，已被广泛应用于空间计划、深海探测、核工业以及医疗卫生等各个 领域。在操作者的安全性和工作效率得到提高的同时，严重的不足也暴露出来： 遥操作系统固有的时滞特性影响着系统的正常工作，时延较大或变化时，甚至造 成系统的不稳定。随着网络技术的飞速发展和i n t e m e t 在全球的普及，以i n t e m e t 为传输媒介的遥操作系统因其通用性和低成本成为目前学者们研究的热点。所围 绕的中心问题就是网络时延随机变化、无界( 丢包) 和乱序给遥操作系统带来的不 稳定和力觉临场感的丧失。 针对遥操作系统通讯时延严重影响力觉临场感系统稳定性和透明性的问题， 本文给出了一类新的控制方法，为力反馈遥操作系统建立了内模控制结构：1 ) 针 对固定时延系统，设计从端本地反馈控制器和内模控制器分别实现主从机械手速 度和力的跟踪，兼顾系统在任意固定时延下的稳定与透明，因为内模结构具有预 测功能，操作者具有良好的力觉临场感：2 ) 针对变时延系统，机械手的速度跟踪 本地闭环保持不变，力的跟踪则采用鲁棒控制，将在一定范围内变化的传输时延 看作被控对象参数的不确定( 摄动) ，运用。最优控制理论确定使系统在有界时延 下鲁棒稳定和满足最优鲁棒性能指标的控制器参数取值范围，将变化时延对系统 稳定性和透明性的影响降到最小；3 ) 在对i n t e m e t 时延特性分析的基础上，探讨如 何将以上给出的h 。控制方法应用到以i n t e m e t 为传输媒介的遥操作系统中，给出 新的数据收发处理算法和时延控制算法来解决网络时延的无界、丢包和乱序等问 题，将i n t e m e t 时延规范到h 。控制的有效被控范围内，使遥操作系统在i n t e m e t 时延环境下依然保持良好的稳定性和透明性。 三个部分的设计是承接关系，一、二部分是i n t e m e t 遥操作系统设计的基础， 也可单独使用。整个控制系统是在内模结构之上进行的双控制器设计，每个控制 器分别有一个控制参数，参数数量少且相关度低，依照某种性能指标进行选取的 灵活性大；借助内模控制结构的特殊性，以透明性为目标的控制器设计独立于稳 定性来进行，降低了控制器设计的复杂度；与已有方法相比，采用该控制方法的 i n t e m e t 遥操作系统对网络时延环境适应性强，保守性低，能有效降低i n t e m e t 时 延对系统的稳定性和透明性的影响。 文中对以上各控制方法进行了相应的理论证明和仿真实验。 关键词：机器人遥操作；时延；i n t e m e t ；稳定性：透明性；内模控制；日。控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e l e o p e r a t i o ns y s t e m se s p e c i a l l yt h eo n e sw i t hf o r c et e l e p r e s e n c ee x t e n dt h e p e r c e p t i o n a la n do p e r a t i o n a la b i l i t yo fo p e r a t o r ss i g n i f i c a n t l y t h e yh a v eb e e na p p l i e d t om a n ya r e a s ，s u c ha ss p a c ep r o j e c t s ，d e e po c e a nd e t e c t i n g ，n u c l e u si n d u s t r y , m e d i c a l t r e a t m e n t ，a n ds oo n w h i l et e l e o p e r a t i o ns y s t e m sp r o v i d eag r e a th e l pf o rt h eo p e r a t o r s s e c u r i t ya n dw o r ke f f i c i e n c y , t h e ys u f f e rf r o ms e r i o u sp r o b l e m sr e s u l t i n gf r o mi n h e r e n t t i m ed e l a yi nt h e m s e l v e s w h e nt h et i m ed e l a yi sb i ge n o u g ho rv a r y i n g ，t h es y s t e mw i l l f a l li n t oi n s t a b l ea n dw i l ln o t w o r kn o r m a l l y n o w a d a y s ，w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f t h en e t w o r kt e c h n i q u ea n dt h eu s eo ft h ei n t e r n e ta 1 1o v e rt h ew o r l d t e l e o p e r a t i o n s y s t e m sb a s e do ni n t e r n e th a v eb e e np a i dag r e a ta t t e n t i o nb ys c h o l a r s t h e yp u tt h e i r f o c u s e so nt h es y s t e m si n s t a b i l i t y , d e t e r i o r a t i o no ft h et r a n s p a r e n c ya n dl o s so ft h e f o r c et e l e p r e s e n c eb r o u g h tb yr a n d o mt i m ed e l a y , i n f i n i t e ，p a c k a g el o s sa n dm i s o r d e ri n n e t w o r k i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e lc o n t r o lm e t h o d - - b u i l d i n ga ni n t e m a lm o d e lc o n t r o ls t r u c t u r ef o rt h et e l e o p e r a t i o ns y s t e mw i t l lf o r c e f e e d b a c k ：a ) f o ri n v a r i a n td e l a ys y s t e m s ，s l a v em a n i p u l a t o rl o c a lf e e d b a c kc o n t r o l l e r a n di n t e r n a lm o d e lc o n t r o l l e rw e r ed e s i g n e dt oa c h i e v ev e l o c i t ya n df o r c et r a c k so ft h e t w om a n i p u l a t o r s b e c a u s eo ft h ep r e d i c t i v ei n t e r n a ls t r u c t u r e ，f o r c et e l e p r e c e n c ew e n t w e l l b ) f o rv a r i a b l ed e l a ys y s t e m s ，v e l o c i t yt r a c k i n gc o n t r o ll o o pw a sn o tc h a n g e da n d f o r c et r a c k i n ge m p l o y e dr o b u s tc o n t r 0 1 w h i l et h et r a n s m i t t i n gt i m ed e l a yw i t hd e f i n i t e b o u n d sw a sr e g a r d e da su n c e r t a i n t y ( o rp e r t u r b a t i o n ) o fc o n t r o l l e dp l a n t s p a m m e t e r s ， h 。一o p t i m a lc o n t r o lt h e o r yw a sa p p l i e dt ot h ec o n t r o ls y s t e ma n dd e t e r m i n e dt h e b o u n d so ft h ec o n t r o l l e r s p a r a m e t e r s ，w h i c hc a ng u a r a n t e et h er o b u s ts t a b i l i t ya n d o p f i m a lr o b u s tt r a c k i n gp e r f o r m a n c eu n d e ra r b i t r a r yb o u n d e dt i m ed e l a y s e f f e c t so nt h e s t a b i l i t ya n dt r a n s p a r e n c yb r o u g h tb yv a r y i n gt i m ed e l a yh a v eb e e nr e d u c e da sm u c ha s p o s s i b l e c ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ei n t e r n e tt i m ed e l a yc h a r a c t e r s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h ec a s eh o wt ou s et h e h 。- c o n t r o lm e t h o dt oi n t e r n e tt e l e o p e r a f i o ns y s t e m s n e wd a t ar e c e i v i n g s e n d i n ga l g o r i t h ma n dd e l a yc o n t r o la l g o r i t h mw e r eg i v e nt oh a n d l e t h en e t w o r k d e l a y si n f i n i t y , p a c k e tl o s sa n dm i s o r d e r , b yw h i c ht h ei n t e r a c tt i m ed e l a y w e r en o r m a l i z e dt ot h er a n g eo f h 。c o n t r 0 1 i nt h i sw a y , t h er o b u s tc o n t r o lm e t h o d b a s e do ni n t e r n a lr h o d e lg i v e nb e f o r em u s tb ea ne f f i c i e n ts c h e m et ok e e pt h es t a b i l i t y a n dg o o dt r a n s p a r e n c ye v e nu n d e ri n t e r n e tt i m ed e l a yc i r c u m s t a n c e t h ea b o v et h r e ep a r t sa r ep r e s e n t e ds t e pb ys t e pa n dt h ef i r s tt w oi st h eb a s i so ft h e l a s to n e t h e yc a na l s ob eu s e ds o l e l y t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sb u i l to nt h ei n t e r n a l i i 。 r 山东大学硕士学位论文 m o d e ls t r u c t u r ea n dt w oc o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e dc o r r e s p o n d i n g l y e a c hc o n t r o l l e rh a s o n l yo n ep a r a m e t e rt ob es p e c i f i e da n dt h e ya r ec o r r e l a t i v es c a r c e l yw i me a c ho t h e r f u r t h e r m o r e ，i ti sf l e x i b l et os e l e c tt h e s ep a r a m e t e r st oa c h i e v eac e r t a i np e r f o r m a n c e s p e c i f i c a t i o n t a k i n ga d v a n t a g eo ft h es p e c i a ls t r u c t u r eo fi n t e r n a lm o d e l ，c o n t r o l l e r s d e s i g n e df o rt r a n s p a r e n c yw a sm a d ei n d e p e n d e n to ft h ed e s i g nf o rs t a b i l i t y , w h i c h d e c r e a s e dt h ed e s i g nc o m p l e x i t y i n t e m e tt e l e o p e r a t i o ns y s t e mu s i n gt h em e t h o dw i l lb e w e l la d a p t e dt od i f f e r e n td e l a yc o n d i t i o n sa n dn o ts oc o n s e r v a t i v ea st oo t h e rn e t w o r k d e l a yc o n t r o ls c h e m e t h e s em a k es u r et h a tt h em e t h o dc a ne f f i c i e n t l yr e d u c et h ee f f e c t o fi n t e m e tt i m ed e l a yo nt h es t a b i l i t ya n dt r a n s p a r e n c yo f t h es y s t e m t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sc o r r e s p o n d i n gt oe a c hp a r ta l ep r e s e n t e di n d e t a i l k e yw o r d s ：t e l e o p e r a t i o n ；t i m ed e l a y ；i n t e m e t ；s t a b i l i t y ；t r a n s p a r e n c y ；i n t e r n a lm o d e l c o n t r o l ；r o b u s tc o n t r o l 1 i i 山东大学硕士学位论文 符号表 表示向量或矩阵范数； 表示“元素属于”； 表示“定义为”： 矩阵爿的共轭算子即的复共轭转置： 矩阵a 的特征值； 矩阵a 的最大奇异值，厅即) = m a ) ( 二( 彳彳) ； 实数域： 复数域： 虚轴； 口c 的实部； 所有正实数的集合； 所有非负实数的集合； n 维欧式空间( e u c l i d e a n ) ； 希尔伯特空间的l e b g e s e q u e 可测函数的集合：f ：r 寸r ”是平方可积 的，即：a f i i f ( , ) i i 府 o o ； 满足s u p c r f ( j o ) ) 0 中解析的l ( 弘) 函数集： r l 。= f ( j c o ) lf ( j c o ) k ，f ( ) 为实有理函数矩阵 ； 剧l = 扩o ) lf ( s ) eh 。，f ( s ) 为实有理函数矩阵 。 ： ：御锄 ： ： ：r ： o 0 电釜“删删n已愿脚肌弘肌靴 。地 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：肄日期：鱼! 坐 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：肄翩签旌雄日 期： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 机器人遥操作是融合控制理论、机器人学和通讯技术的一个新的研究领域， 是近年来控制界研究的热点之一。遥操作的目的是将操作者对环境的操作延伸到 操作者不易或不宜到达的地方，从而扩展人类的感知和操作能力。上个世纪4 0 年 代，f e r m i 领导他的团队在a r g o n n e l n 家实验室( a n l ) 进行核试验，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，1 9 4 8 年，世界上第一个遥操作 系统g o e r t z 在a n l 研制成功。在那之后，遥操作机器人系统逐步应用到航空航天、 军事、工业生产、医疗和教学等各个领域。 遥操作系统的设计与应用有着重大的意义，主要体现在以下几个方面： 1 遥操作机器人可以代替人进入具有巨大危险的工作环境，如有毒废弃物、 核燃料的处理等； 2 目前还存在很多人类无法到达的地方，如未知空间、深海、地壳深层等。 遥操作机器人可以在这些地方探索并采集信息； 3 针对一个地域受限的操作任务，遥操作可以跨过空间的限制，典型的应用 就是战地手术、远程教学和远程实验。此外，遥操作还可以实现分布在不 同地域的多个操作者的合作任务，特别是i n t e r n e t 的使用，使世界各地的人 们都能通过登录w e b 网页实现互联操作； 4 在医疗外科手术、精密仪器制作中，因为任务对精确度的要求较高，常采 用机械手代替人手进行操作，特别是在手术过程中为防止杂质、灰尘落入， 应尽量避免人的接近，近距离的遥操作是最好的解决办法。 图1 1 是一个典型的遥操作系统，主要由主从机械手、传输媒介、力觉和视觉 处理系统等几部分构成。操作者在主控制端扳动主机械手，主机械手发出速度和 位置的命令信号供从机械手跟踪，完成简单的推箱动作，同时返回它与箱作用的 状态信息。主端的预测模型提供从端图像预测显示和作用力信息使操作者在远端 也具有身临其境的感受。 图1 1 一个机械手做推箱运动的遥操作系统 山东大学硕士学位论文 1 2 存在的问题 为了使操作者身临其境地感受到作业环境，提高控制的有效性与精度，目前 多采用具有临场感的遥操作系统。遥操作系统的临场感包括视觉临场感和力觉临 场感。同时具备这两种临场感的遥操作系统至少含有以下三个通讯信道： 图像传输通道 图1 , 2 遥操作信息传输通道 操作者发出任务命令传送到从端，供从机械手跟随，从端则返回从机械手与 环境相互作用的力觉信息。同时从机械手工作的图像信息实时反馈到主端以便操 作者给出下一步的控制指令。从另一角度讲，视觉图像相关的传输是“信息”的 传递，作用力相关的传输是“能量”的传输。 对临场感系统来说，因为有信息和能量的反馈，存在于主从机械手之间的信 息传输时延是一个必须考虑的问题，它对系统有着巨大的影响： 1 滞后的视觉反馈信息给主端的操作者造成任务还未完成的假相，从而导致误 操作。这一问题在机器人切割和焊接任务中尤其明显，目前主要采用三维图 像预测仿真( p r e d i c t i v e 3 d c o m p r u t e r - g r a p h i c s ) 技术来解决。因为图像反馈和主 从机械手不构成实际的控制闭环，不是典型的控制问题，本文不重点讨论。 2 力反馈通道与命令传输通道构成反馈控制闭环，传输时延成为系统正常工作 和实现临场感的主要障碍。主要体现在使系统不稳定和透明性严重下降： 1 ) 时滞系统的稳定性问题一直是控制领域研究的难点。最早的关于遥操作系 统时延的文献出现在1 9 6 5 年i l 】，因为没有用到力反馈，时延没有对稳定 性造成影响。1 9 6 6 年，f c r r c l l 在时延条件下用到了力反馈，发现在很小的 时间延迟下，系统就会变得不稳定【2 1 ，才意识到时延对遥操作系统稳定性 的影响。 2 ) 透明性是遥操作系统另一核心的性能，它是系统临场感的重要体现。因为 正反向通道传输时延的存在，操作者不能实时接收从端环境作用力，甚至 丝毫感受不到与从端环境的作用。 3 随着网络技术的飞速发展，国际互联网( i n t e m e t ) 作为信息传输媒介以其低成 本、通用性和可重构性的巨大优势逐渐获得遥操作系统的青睐。但与此同时， i n t e m e t 也给遥操作系统带来了除时延变化以外的无界、丢包、乱序等诸多问 题，成为遥操作研究领域的一大挑战。 山东大学硕士学位论文 总之，时间延迟特别是大时延和变化时延给遥操作机器人系统带来的影响， 主要体现在系统稳定性的丧失和系统透明性的下降。此外遥操作系统还存在环境 的适应性、抗干扰能力、对时延以外其它参数摄动的鲁棒性等问题。 1 3 遥操作机器人系统的研究概况 遥操作机器人系统的控制方式主要有三种：直接控制、监督控制和学习控制。 直接控制也被称作木偶式控制口】，在这种控制模式中，操作者通过网络传输原始的 动作指令或必要的参数控制机器人完成某项任务；监督控制方式是由f e r r e l 和 s h e r i d a n 于1 9 6 7 年提出的，操作者只发送目标任务等很小的一部分信息给远端， 具体的任务由机器人自治完成【4 】：文献 5 】中给出了两种学习控制模式：长期间学 习和短期间学习，长期间学习多用于进行重复性工作的机器人，短期间学习则类 似于在线学习。监督控制需要机器人具有一定的智能，而且从信道上传输的信息 量较少，时延对系统的影响相对较小，下文中提到的远程规划就属于这种控制方 式。采用直接控制方式的遥操作系统的分析和设计以经典和现代控制理论为基础， 是各种自动控制方法在机器人系统上的应用，是本课题要重点讨论的控制方式。 由上一节可知，视觉临场感和力觉l 临场感是遥操作系统临场感的两个方面。 对视觉临场感系统的研究多集中在采用预测等方法给操作者提供实时的从机械手 工作图像：对力觉临场感系统的研究则围绕着“系统在固定时延或变化时延存在 的情况下，采用何种控制方法能使系统稳定，并能获得良好的操作性能，即透明 性”这一问题进行。学者们通常把各种遥操作系统的控制方法分为以下三类：预 见控制、远程规划和双边控制。这种分类并不是绝对的，在双边控制结构中同样 可以使用预见控制等。下面分别介绍这三类方法，基于i n t e m e t 的遥操作因其特殊 性在后面单独介绍。 1 3 1 预见控制 预见控制常被用来处理时延问题【6 l 。三维图像预测仿真被认为是目前最好的解 决计算机图像传输延迟的方法【7 1 。1 9 9 0 年b e j c z y 基于远程从机器人图形再现思想 提出的“幻影机器人”概念【剐，就主要应用了这个技术。其它有关图像预测仿真的 内容可参考文献【9 一1 2 。 除了图像信息以外，包括从机械手与环境作用力在内的从端状态多由s m i t h 预估等预测控制方法得到。1 9 9 2 年，k o t o t u 在b e j c z y 提出“幻影机器人”的基础 上给虚拟机器人加入了力反馈，用弹簧效应模拟与从机械手相互作用的环境，搭 建从机械手虚拟模型【h 1 。1 9 9 3 年s h e r i d a n 提出用s m i t h 预估器预测从手状态的思 想【1 4 1 ，继而s m i t h 预估控制成为一大类遥操作系统的时延控制方法。g a n j e f a r 将 s m i t h 预估器加入基于波变量的遥测系统中，以克服波变量法无法解决的跟踪误差 问题【1 5 】。m u n i r 也将波变量和预见控制相结合，并对引入的s m i t h 预估器进行了改 山东大学硕士学位论文 进，加入了卡尔曼估计器和一个能量调节器，在波变量传输保证稳定性的基础上 增强系统的操作性能【l6 ”j 。p r o k o p i o u 通过预测操作者手臂的位置和受力来补偿时 延对系统的影响，并证明这种方法比为从机械手和环境建模更简单，临场感更强 【1 8 】。陈启宏等采用神经网络预测从端状态，也取得了较好的效果1 9 - 2 4 。虚拟现实 技术( v i r t u a lr e a l i t y ) 是预见控制的一个典型应用，也是各种知觉临场感的综合实 现。这种技术用计算机产生一个虚拟环境，让用户从视觉、听觉、触觉、嗅觉等 多种感觉上沉浸其中，因此也称作远程沉浸，这将是未来遥操作系统的一个发展 方向。 1 3 2 远程规划 1 9 9 0 年f u n d a 与p a u l 首次在遥操作系统控制中提出远程规划的概念1 2 5 1 。具体 思想是根据系统模型和任务建立一个指令符号集，操作者发送指令，从机器人接 到指令后执行相应的任务。由席宁等人提出的基于事件的控制算法f 2 9 】是远程规 划的一个成功例子。基本思想是用时间无关的行为参数来代替原来基于时间的参 数在控制环中流动，其中s 可以是机器人末端行走的距离、弧长，也可以是它的位 置，不是与时间有关的速度、加速度。图1 3 是席宁在文献 3 3 】中给出的非时间参 数的遥操作机器人系统结构。在i n t e m e t 另一端的操作者对规划机实行离线干预， 对行为参考生成环节实行在线干预，但是由于s 的非时间性，即使操作者的作用跨 过i n t e r a c t ，网络延迟也不会影响到控制系统的稳定性。不过，这种方法用事件触 发行为，系统的实时性不好，工作效率不高，操作者没有从端力觉感。这也是远 程规划本身具有的弊端。此外，在远程环境未知的情况下，因为操作者和远程机 器人之间的信息交流较少，容易出现错误从而导致 溯1 4 0 1 。 图1 3 基于事件的i n t e m e t 遥操作系统 1 3 3 双边控制 双边控制的研究结果在三类控制中最多，与控制理论的联系最密切。双边控 制即在机器人主从端都有控制器，位置、速度、力等信息在正反向通道上相互传 递。控制方法主要有无源控制、基于以理论的控制、四通道控制、阻抗控制和共 享柔顺控制等。 山东大学硕士学位论文 1 无源控制 无源控制是一类基于无源理论的解决稳定性问题的时延控制方法。它将具有 力反馈的遥操作系统等效为一个二端口网络，分析信号传输模块的无源性，从而 找到使系统稳定的控制律。由无源性定理【4 1 】知，只要系统满足一定的无源性条件 和系统初始状态及连续条件，则总存在反馈控制律使系统在平衡点处渐进稳定。 八十年代末，a n d e r s o n 等利用二端口网络模型提出了基于无源性的控制算法， 并用散射理论得到了使系统在任意时延下稳定的控制律 4 2 1 。之后n i e m e y e r 和 s l o t i n e 引入波变思想，把传统的功率变量速度和力转化为波变量，在遥操作系统 等效后的二端口网络中双向传输，并通过无源性理论得到了同样的结论【4 3 1 。图1 4 是波变量传输控制方法的传输结构。 皿 压卜耻型2 b n 坼 心 波变换环节波传输环节波变换环节 图1 4 波变量传输模型 其中v 和厂表示速度和力，v 、u 表示波变量，b 为波变量参数。波变量与速 度、力之间的转换关系： 11 u 5 右+ b v l ) ，q2 商+ b y r ) 11 k 。右- b y , ) ，咋2 商山v ，) 波变量v 和u 代替速度和力在传输信道中传输，并产生延迟。 由小增益定理可以证明波变量传输能够使系统的传输环节在任何时延下具有 无源性，从而保证遥操作系统时延下的稳定性。 1 9 9 3 年h a n n a f o r d 的实验结果表明，基于无源性理论的控制方法虽能保证任 何时延下的稳定性，但只适用于2 秒以下的小时延情况，当时延超过2 秒时系统 操作性能( 透明性) 将严重下降1 4 4 】。这是因为无源性对系统的稳定性来说是保守的， 高的稳定性要求必定以牺牲系统透明性为代价。为了在波变量控制中提升系统性 能，n i e m e y e r 在文献 4 5 中为波传输通道加入滤波器，传输波变量的积分量使得所 有信息都通过单一通道传递，提升了系统的性能和抗扰性。继而，n i e m e y e r 等又 在遥操作系统主从端之间并入了位置反馈，并指出通过在线匹配波变化环节的波 变量参数可以使控制系统适应不同的操作任务以保持良好的操作特性【4 6 】。国内的 宋爱国等也在a n d e r s o n 无源性控制理论的基础上提出了这一匹配阻抗的思想 4 7 , 4 8 1 。同样是为了提高波变控制系统的操作性能，m u n i r 等将波变量和s m i t h 预估 山东大学硕士学位论文 相结合来抑制时变时延对系统的影响【16 ，”】。此外文献 4 9 ，5 0 等也应用无源性理论来 实现系统的稳定。文献 5 1 5 6 将无源性理论和波变量控制方法推广到变时延的情 况。文献 5 7 6 0 1 则对离散遥操作系统的无源性进行了研究，主要目的是将无源性 控制方法应用到i n t c m e t 遥操作系统中，具体的方法将在下一小节中讨论。 2 基于日。理论的控制方法 何。控制可以将有界扰动或摄动对系统的影响降低到期望的程度。遥操作机器 人系统的特性和参数可能会随着工作状态和环境的变化而变化，模型与实际被控 对象不可避免的存在误差和不确定性，所以基于只。理论的控制方法在遥操作控制 中得到了一定的应用。文献 6 1 1 首先为自由运动遥操作系统设计两端的日。控制器， 来改善系统性能( 不是用来解决时延问题，因为在自由运动中时延不影响稳定性， 但是会使系统性能降低) ；然后对于受限运动，将时延建模为系统扰动，根据且一 综合设计控制器使系统对这种扰动具有鲁棒性。s a n o 基于增益调度结构，设计时 变的日。控制器以适应时延的变化【6 ”。文献 6 3 采用解r i c c a t i 方程的办法，为具有 状态和控制输入变时延的遥操作系统设计了基于观测器的只。控制器。 基于上乙理论的控制方法一般处理有界时延情况下的遥操作系统，它能够将时 延对系统的影响降到最小，对可能出现的扰动有鲁棒性。控制器设计比较复杂。 3 四通道方法 l a w r e n c e 等提出了位置和力反馈的四通道结构 6 4 , 6 5 1 ，将主机械手端的速度和 力以及从机械手端的速度和力都传递到另一端。这种控制方式在实现透明性方面 要比无源控制和日。控制有效得多，毕竟采用四通道进行传输对准确得到环境阻抗 信息是非常重要的。在讨论四通道控制方法的文献中都将系统的透明性分析当作 重点。h a s h t m d i z a a d 用四通道方法分析了遥操作系统在时延下的透明性 6 6 , 6 7 1 ，其 q b 6 7 首先通过选择反馈控制参数和本地力反馈补偿参数，获得了四通道系统的透 明与稳定，然后给出了两类三通道控制结构，并证明具有良好的效果。 4 共享柔顺控制 共享柔顺控制也是一种常见的遥操作控制方法。机器人研究的核心矛盾之一 为：机器人在特定接触环境操作时对可以产生任意作用力柔性的高要求和机器人 在自由空间操作时对位置伺服刚度及机械结构刚度的高要求之间的矛盾。机器人 能够对接触环境顺从的这种能力称为柔性；机器人利用力反馈信息采用一定的控 制策略主动控制作用力，称为主动柔顺性。主动柔顺控制是实现制造刚柔相济、 灵活自如机器人这一目标的一个重要环节。文献 6 8 】在带有时延的遥操作系统中加 入共享柔顺控制，从机械手与环境的作用力仅在从端构成反馈闭环，系统稳定性 不会受时延影响。 i 山东大学硕士学位论文 1 3 4i n t e r n e t 环境下遥操作系统的研究概况 近年来随着i n t e r n e t 在全球范围内的普及，以i n t e m e t 作为通讯媒介的遥操作 系统逐渐成为学者们研究的热点。1 9 9 1 年t r o y a n 将一台照相机连入i n t e r n e t ，可 以看作是利用i n t e m e t 作为媒介控制硬件设施的第一步【6 9 】；从1 9 9 2 年到1 9 9 3 年， r o b e t t a 与a n g e l i n i 在米兰遥机器人实验室和罗马大学外科系之间做了三个关于远 程手术的实验口们。k e ng o l d b e r g 于1 9 9 4 年提出了基于网络的机器人的思想，并通 过m e r c u r yp r o j e c t 建立了一个基于视觉反馈的遥操作机器人系统，操纵一台三自 由度s c a r a 工业机器人使用气泵吹走沙子呈现沙子里面所埋物体【7 ”，这是第一 个基于w e b 的网络遥操作系统。1 9 9 5 年a n d e r s o n 以i n t e r n e t 为媒介建立了s m a r t 结构【7 2 】。近几年，基于i n t e m e t 的遥操作系统逐渐转向民用，日本通产省启动实时 遥控机器人技术，目的是使远地的人能够利用高速网络操作机器人，使它们在灾 害救助、扶老助残、家庭办公等方面起到支援作用。 基于i n t e r n e t 的遥操作系统依其不同结构可以分成两大类：基于w e b 浏览器的 遥操作系统和基于i n t e m e t 的双向力反馈遥操作系统。基于w e b 浏览器的遥操作系 统只含有从机械手，主机械手被w e b 浏览页面代替，完全以网络为主体：基于 i n t e r n e t 的双向力反馈遥操作系统只将i n t e m e t 作为其信息的传输媒介，因此包含 上节提到的非i n t e r n e t 的遥操作系统的所有可研究特性。除此之外，在体现其低成 本、通用性和可重构性等巨大优势的同时，i n t e m e t 也带来了随机时延、丢包、乱 序等诸多问题，使得遥操作系统失去了应有的良好性能，成为现今遥操作研究领 域的一大挑战。如果设计的控制系统能减小或消除i n t e r n e t 时延带来的影响，保证 系统的稳定性及良好的透明性，则可以极大增强遥操作系统的实用性和降低成本。 有关i n t e m e t 遥操作的研究多从网络传输和控制这两个角度展开。所谓网络传 输角度，就是研究采用什么样的网络协议、路由算法、拥塞策略，或者如何减少 传递的数据量，来缩短网络传输时延，降低时延对系统的影响。有关这方面的研 究参考文献r 7 3 8 0 。这里主要介绍近年来从控制角度处理i n t e r n e t 遥操作时延问题 的主要成果。 i n t e m e t 遥操作控制主要是克服随机时延对系统稳定性和透明性的影响，主要 处理变时延问题。控制命令从控制端以相同的时间间隔发出，经过具有随机时延 的i n t e r n e t ，会以不规则的间隔到达被控端。为了准确平稳地控制远端机器人，一 般人为地将不规则的时延保持一致，如将时延加大到固定时延上限”j 。针对i n t e r n e t 变化时延的特点，k o s u g e 提出虚拟时延的概念，给主手的命令加载时间戳，在从 手端加入时延缓冲器，将变时延固定为常值【8 l ，57 1 。文献 1 2 1 给出的方法是加入两个 网络延迟调节器( n e t w o r kd e l a yr e g u l a r ，n d r ) ，将信号依次推入栈中，然后用相 同的间隔推出。文献【8 2 ，8 3 】将这一n d r 方法进行改进，提出了一种稳定的远程位 山东大学硕士学位论文 置力控制理论带有n d r 的s m i t h 预报器理论，适于更长距离的网络传输。 将变时延固定为常值的好处是可以用定时延的方法来对系统分析和设计，但是这 一确定化的虚拟时延必将取所有时延的最大值，人为将时延扩大，降低了系统的 性能。 波变量法同样可以用于i n t e r a c t 遥操作系统中。n i e m c y e r 和s l o t i n e 曾指出基 于波变量的控制方法能够保证系统在任意固定时延下的稳定性，却不能保证在变 化时延下的稳定性【5 ”，这主要是因为波变量历经不同的时延到达接收端，波形发 生扭曲，传输前后波的积分量不再相等。波能量变化从而使无源性无法保证。与 此同时，因为波形的扭曲，机械手的位置跟踪也遭到破坏。为使波变量法同样用 于i n t e m e t 环境下的变时延遥操作系统，二人对波变量法进行改进，在波变量发送 端对波变量和波变量的平方求积分，传送到接收端后用滤波器对积分量进行重构， 使得系统在传输时延变化的情况下依然保持稳定。同样是基于波变法，y o k o k o h j 等为每个发出的波变量数据贴上时间标签，在波变量传输的接收端串入补偿器， 给出一种简单的补偿算法以减少从机械手位置的漂移，缓解波动的传输时延给系 统性能带来的影响1 5 2 1 。但是这种方法不能使系统达到严格无源，所以在这之后 y o k o k o h j 为这一波变量传输通道加入了能量输入输出平衡监视机制 5 3 1 ，限制变时 延可能产生的能量，从而从能量角度保证了变时延系统的稳定性。b e n c d c t t i 在 n i e m c y e r 给出的波变结构6 4 3 】基础上在线检测变化时延的值，通过改变一个控制参 数来自适应补偿时延的变化，并用一个简单的i n t e r a c t 遥操作仿真系统证明了这种 方法在提升系统操作性能方面的有效性1 5 ”。c h o p r a 和s p o n g 为了保持遥操作系统 在i n t e r a c t 变时延条件下良好的位置跟踪性能，在主从机械手控制环节之间加入位 置的前馈控制，同时为了保证系统的无源性，在波变传输通道中串入随时间变化 的增益，这一增益的选取与时延的变化律有关【5 5 1 。 、1 9 9 8 年b r a d y 和t a m 提出了时间前向观测器的概念唧月5 1 ，并用这种方法把新 墨西哥和华盛顿大学的机器人与自动化研究中心相联接，做了实验研究，结果证 明使用该方法系统可获得良好的透明性和安全性。1 9 9 9 年p a r k 和c h o 提出了基于 滑模结构的控制方法，在从手端使用滑模控制器，在主手端使用阻抗控制器，利 用滑模对参数的鲁棒性补偿时延的变化【8 6 1 。 基于事件的控制方法因为时间的无关性也成为处理i n t c m c t 遥操作系统时延问 题的有效方法，除了上文已列出的，文献 8 7 ，8 8 也利用基于事件的控制很好地解决 了网络时延问题。上节中提到的 l 控制方法【6 1 躬】同样也能很好地解决变时延问 题，可以实现稳定性和操作性能兼顾的控制效果。 将针对连续系统的控制方法应用到i n t e r a c t 遥操作系统是以连续系统的离散化 为前提的。连续系统得到的稳定性、透明性等条件离散化后不一定会继续满足扣“。 山东大学硕士学位论文 b e r e s t e s k y 详细研究了离散情况下基于散射理论的无源性控制方法的适用性，并得 到结论晡9 】：在固定时延下的离散系统中，基于散射理论的无源性控制方法依然能 够保证系统的稳定：在i n t e m e t 包交换传输策略下，无源性控制方法能否还能保持 系统的稳定性取决于时延的变化规律和丢包的处理方式，时延变大或者发生丢包 都会使接收端产生空采样，如何处理空采样是控制的关键。b e r e s t e s k y 给出了传递 波变量的累加值和时间标签的算法并用无源性理论证明了这种算法能够保证遥操 作系统在i n t e m e t 包交换网络中的稳定性。 i n t e m e t 传输状况复杂，时延随机而且无界，并伴随着丢包现象，各种针对连 续系统、固定时延系统的控制方法如何应用于i n t e m e t 遥操作系统的控制，还有很 多工作要做。 1 3 5 各种方法的比较 预见控制是解决遥操作系统时延问题的有效方法，特别对视觉临场感系统来 说。但是预见控制要求知道从手和环境的精确模型，控制算法比较复杂，稳定性 较差，某些情况下需要采用神经网络建模或自适应算法进行在线建模。此外，预 见控制也很难处理变时延系统的控制问题，特别是时延变化较快或随机性较大的 网络时延。 远程规划下的从端系统能够很好地完成指定的