（控制科学与工程专业论文）空间机器人遥操作双边控制技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 随着空问探索的深入，空间机器人将发挥越来越重要的作用。遥操作是空间 机器人的一种重要控制方式，用遥操作空问机器人代替宇航员进行空间作业不但 能够避免宇航员舱外作业的风险，还能提高空间探索的经济性。遥操作有三种方 式：预测控制、- 遥编程控制、双边控制，双边控制由于具有可应用于非结构化、 未知从端环境的优点，成为近年来的研究热点。经过多年的发展，时延力反馈双 边控制技术己取得了一定的进步，但仍然面临着许多问题。本文在前人研究的基 础之上，主要对力反馈双边控制的性能指标及度量方法、基于绝对稳定性理论的 双边控制方法、提高双边控制系统操作性能的方法、两自由度时延力反馈双边控 制系统的搭建及控制方法、遥操作空问机器人的地面物理仿真实验系统等进行研 究下面分别对这几个方面进行详细介绍。 力反馈双边控制系统的基本要求是系统稳定、主端操作者感受到从手与环境 钓作用力、从手跟踪主手的运动，则系统的性能指标应能度量这三者。在以往的 研究中，力反馈双边控制系统的性能指标主要为稳定性和透明性，它们分别度量 系统是否稳定以及主端操作者感受从端环境的能力，但不能度量从手跟踪主手运 动的能力。基于此，本文提出一种度量系统从手跟踪主手运动能力的性能指标： 跟踪性，并分别定义透明性和跟踪性的定量度量函数，实现了对系统透明性和跟 踪性的定量度量。 基于无源性的双边控制方法得到时延无关稳定性，系统稳定的鲁棒性很强， 但由于系统的稳定性和透明性相冲突，系统的透明性较差。为了提高系统的透明 性，本文引入系统稳定的绝对稳定性理论然后证明无源性是绝对稳定性的充分 非必要条件，即无源性是比绝对稳定性更保守的稳定条件，推出基于绝对稳定性 帕双边控制系统具有更好的透明性。基于绝对稳定性理论的双边控制方法的稳定 性与时延相关，稳定的鲁棒性虽然较弱，但具有更好的操作透明性基于以上分 析，本文实现了基于绝对稳定性的双边p d 控制方法，并对其稳定性、透明性、跟 踪性进行了理论分析和实验验证为了提高双边p d 控制的操作性能，结合 l 咄档的虚拟力概念，提出了从手控制力反馈控制方法；也对其稳定性、透明 性、龈踪性进行了理论分析和实验验证 由于缺乏对从端环境的自适应能力，当从端环境改变时双边p d 控制方法和从 手控制力反馈控制方法的操作性能变差本文提出了两种在从端环境改变时保证 系统始终具有良好操作性能的方法：l ，参数在线调节方法这种方法首先通过参 数辨识确定从端环境阻抗，然后根据辨识得到的从端环境阻抗，按照透明性或跟 踪性分析得到的参数约束条件在线调节控制参数，使控制参数与从端环境始终相 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 适应，从而保证系统始终具有良好的透明性或跟踪性。2 ，用力传感器测量从手与 环境作用力并直接反馈回主端进行控制的方法。这种方法第一次把力传感器直接 应用于力反馈双边控制由于测量的力信息中包含从端环境阻抗信息，这种方法 的操作性能就具有了对从端环境变化的自适应能力，且可消除透明性和跟踪性的 冲突。 为了对前面的控制方法进行实验研究，本文搭建了一个两自由度的时延力反 馈双边控制系统。系统的主手为驱动冗余并联机构，从手为p u m a 5 6 2 工业机械臂 针对驱动冗余并联机构运动学正解和逆解的特点，提出了一种快速计算其雅可比 矩阵及对其进行力控制的方法。应用此系统进行了典型的力反馈双边控制实验， 在时延6 秒的情况下成功地实现了对未知曲面的跟踪操作。 当遥操作系统远端的从手为自由漂浮的空间机器人时，空间机器人的底座和 本体之间存在运动学和动力学耦合，本体的运动会引起基座的相应运动，使得其 运动学和动力学模型以及控制方法同固定基座机器人之间有很大的不同。为了验 证自由飘浮空间机器人的模型及控制方法，本文提出了地面固定基座机器人和空 间机器人之间的运动学等效原理，依据此原理提出了一种在地面用普通工业机械 臂模拟遥操作空间机器人运动的方法。自由飘浮空间机器人的运动学模型采用根 据动量守恒原理推导的广义雅可比矩阵方法，地面物理仿真机器人系统和空间机 器人系统之间通过运动学等效原理进行等效，在此系统上成功地模拟了遥操作空 间机器人捕获目标的作业。 主题词：力反馈时延双边控制绝对稳定性稳定性透明性跟踪性空间 机器人 第n 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 w i 血t h ed e v e l o p m e n to fs p a c ee x p l o r a t i o n , s p a c er o b o tw i l lp l a ym o a n dm o r e i m p o r t a n tf u n c t i o n t e l e o p e n i t i o ni sa ni m p o r t a n tc o n t r o lm e f l l o do ft h es p a c er o b o t 脚l | l c i n gt h ea s t r o n a u tw i t ht e l e o l r a t es p a c er o b o t t ow o r ki no u ts p a c ec a l la v o i dt h e r i s ko fa s l r o n a t t tw o r l d n gi no u ts p 暇舄a n da l s o 啪e l l h a n c l ef i l ee c o n o m yo fs p a c e e x p l o r a t i o n t h e - t e l e o p e r a t i o nh a st h r e ew a y s ：l n l i e t i wc o n t r o l , t e l e p r o g r a m m i n g , b i l a t e r a lc o n l r 0 1 。m c c l l u s eb i l a t e r a le o n l r o lc a l lb ea p p l i e di nn o n - s l n l c l l 峨l t m k n o w n c n v i r o m e n t bi tb 啪m 鹪r e s e a r c hh o ti nr e c e n ty e a r s a t t e ry e a r so fd e v e l o p m e n t , b i l a t e r a lc o l a l r o lw i l l af o r c ef e c d b n e ka n dd e l 帮h a sm a d es o m ep r o g r e s s , b u ts t i l lf a c e s m a n yi , r o b l m s 。b a s e do np l 创 i o u sl 俄a r c h , t h i sl p e rs t u d i e sf o l l o w 堍i s 朝j e s ：姐a e p e r f o m m e xi n d i c a t o r so f b i l a t e r a ls y s t e ma n dl h e i rn l c a s u r c m c n tm e t h o d s ；f i l eb i l a t e r n l c o n t r o lm e t h o db a s e da b s o l u t eg t a b i t i t rt h e o r y ；t l a em e t h o di m p r o v i n gt h ep l 盯白如蝴 o f b i l a t e r a ls y s t e m ；t h em e t h o ds l r u e t u r i n gt w of l - d o mb i l a t e r a ls y s t e ma n dc o n t r o n l , g t h i ss y s t e m ；f i l em e t h o ds i m u l a t i n gt h ei n o v c l n c n to ft e l e o p e r a t es p a c er o b o tu s i 孵 g r o u n dp h y s i c a is i m u l a t i o ns y s t e m 1 1 圮f o l l o w i n ga 血cd e t a i li n m x l u c t l o no ft h e s e a s p e c t s i l 圮h 眵i c ，r e q u i r e m e n t so fb i l a t e r a le o n l r 0 1w i t h + f o r c ef e e d l 雠ki n c l u d et h r e e i i s p e c l 3 t h es y s t e mi ss t a b l e ；t h e0 l ，e 糟幻r f e e l st h ef o r c et h a t t h es l a v el l e t s0 1 1 e l l v i o m 嗽t h em o v c l n c n to fs l a v et r a c k st h em o y e l n c f l to fm a 蛐 r 1 h ep e r f o r m a l a c e i n d i c n t o r so fs y s t e m ，s h o u l dc a p a b l et o 嵋a s u t h e s ea s p e c t s i np r e v i o u ss t u d i e s , t h e m a i n 事矗韵啊啪c ei n d i c a t o r so fb i l a t e r a ls y s t e mw i l t lf o r c ef e e d b a c k 眦s t a b i l i t ya n d t r a m p a r e n c y 脚湖m 戗l s 啪t h es t a b i l i t ya n d t h ec a p a c i t yt h a t 伍eo l 毙* r l l t o l - 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m e c h a n i s m a n ds l a v ei sp u m a 5 6 2m a n i p u l a t o r a c c o r d i n gt ot h ef o r w a r dk i n e m a t i c sa n di n v e r s e k i n e m a t i c so ft h ed r i v e - r e d u n d a n tp a r a l l e l m c c h a n i s m , am e t h o dq u i c k l yc a l c u l a t e j a c e b i a nm a t r i xa n df o r c e - m a p p i n gm a t r i xi sp r e s e n t u s i n gt h i ss y s t e m ，ic o m p l e t e d s u c c e s s f u l l yt h eo p e r a t i o no f t r a c k i n gu n k n o w nc u r v ew i t ht h et i m e - d e l a yo f 6s e c o n d s w h e nt h es l a v eo f t e l e o p e r a t es y s t e mi saf r e e - f l o a t i n gs p a c er o b o t , t h ec o n t r o lo f s y s t e mf a c e sn e wp r o b l e m t h e r ee x i s tk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sc o u p l i n gb e t w e e nt h e b a s ea n dm a n i p u l a t o ra n no ft h ef r e e f l o a t i n gs p a c er o b o t 1 1 l em o v e m e n to ft h e m a n i p u l a t o ra r mw i l ii n d u c er e a c t i o nm o v e m e n to ft h eb a s e s ot h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sm o d e l s ，t h ec o n t r o lm e t h o do ff r e e f l o a t i n gs p a c er o b o ti sv e r yd i f f e r e n tt o t h o s eo fo n - e a r t hr o b o t 1 0v e r i f i c a t i o nt h em o d e ia n dc o n t r o im e t h o do fs p a c er o b o t , t h i s p a p e rp r e s e n tt h em o v e m e n te q u i v a l e n c ep r i n c i p l eb e t w e e no n - e a r t hr o b o ta n d s p a c er o b o t , a n db u i l dap h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e mo ne a r t ht oa n a l o g u et h em o v e m e n t o ft e l e o p e r a t es p a c er o b o t t h ek i n e m a t i c sm o d e io ff r e e - f l o a t i n gs p a c er o b o tu s e g e n e r a l i z e d j a c o b i a nm a t r i xm e t h o d ，w h i c hi sd e r i v e df r o mt h ep r i n c i p l eo f m o m e n t u m c o n s e r v a t i o n 1 1 1 em o v e m e n to f s i m u l a t i o ns y s t e me q u i v a l e n tt ot h em o v e m e n to f s p a c e r o b o ta c c o r d i n gt ot h em o v e m e n te q u i v a l e n c ep r i n c i p l e a tl a s t , ia n a l o g u es u c c e s s f u l l y 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 t h em o v e m e n tt h a tt h et c l c o p e n a i n g s p a c er o b o tc a p t u r e st a r g e tu s i n gt h i ss y s t e m k l yw o r d s zf o r c ef e e d b a c k , d c i 鳓b i l a m - a lc o n t r o l , a b s o l u t es t a b u i t y , s t a b i l i t y , 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表1 1 各国微重力塔概况。 表目录 第页 目防科学技术大学研究生院博士学位论文 图：目录 图1 1 空间机器人基座参考系下的末端运动控制 图1 2 空问机器人惯性参考系下的末端运动控制 图1 3 双边控制系统示意图 图i 4 力反馈双边控制系统网络表示图 稠1 5h 控制结构图 3 3 6 7 1 3 1 3 图1 6 模块化的h 。控制结构图 圈l 。7j a m i c 微重力塔结构及下落舱示意图 圈1 9 r n b v 结构示意图 1 8 1 9 铟1 1 0 加拿大c a n a d a n n 2 的气浮式地面实验系统。1 9 图i 。“悬吊微重力仿真系统示意图 四1 1 2 地面仿真实验平台1 图1 1 3 自由飘浮空间机器人地面模拟系统 图1 1 4 地面仿真实验平台2 图2 1 力反馈双边控制系统结构图 躅2 2 力反馈双边控制系统的网络模型 图3 1 双边t p d 控制方法原理图 圈3 2 力反馈双边控制实验系统 稠3 3j 已= 0 s 7 5 、墨；o 5 7 5 时的位置、力曲线 图3 4 瓦= 0 0 7 5 、墨= 0 0 7 5 时的位置、力曲线 图3 5 邑= 0 瑚1 5 ，毛= o 肿1 5 时的位置、力曲线 图3 6 从手控饲力反馈示意图 图3 7y 关于口的变化曲线 图3 8y 关于口的变化曲线 图3 9 不同时y 的曲线 覆3 i o 不同k c 时y 钓曲线 图3 1 1k = 1 7 5 的主从端位置、力曲线 图3 1 2 墨= o 0 7 5 时的主从端位置、力曲线。 图3 1 3k = 0 j d 0 1 5 时的主从端位置、力曲线 图4 1 双边p d 控制方法的参数在线调节策略 6 4 6 5 6 5 6 6 7 4 第v 页 加m殂笼筠；号铊卯虬n配钳鲐钵 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 双边p d 控制方法的参数在线调节实验结果7 4 图4 3 从端力反馈控制方法参数调节策略。 图4 4 从手控制力反馈方法的参数在线调节实验结果 图4 5 从手与环境作用力反馈控制方法示意图 图4 6y 关于国的变化曲线 图4 7y 关于国的变化曲线 图4 8 不同t 时y 的曲线 图4 9 不同恕时y 的曲线。 图4 1 0 x 0 = l 时的主从端位置、力曲线 图4 1 lk o = 0 0 1 5 时的主从端位置、力曲线 图4 1 2k = o 0 0 1 时的主从端位置、力曲线 图4 1 3 从手接触力反馈控制的实验结果。 图5 1 双边控制系统硬件结构示意图 图5 2 双边控制系统软件结构示意图。 图5 3 并联主手实物图 图5 4 并联主手结构示意图 图5 5 并联机构的广义坐标 图5 6 双边控制任务示意图 8 7 8 7 。9 l 。9 2 图5 7 力反馈双边控制结果( 时延6 秒) 图6 1 空间机械臂坐标图 图6 2 运动学等效原理。 图6 3 模拟空间机械臂运动方法 图6 4 目标星的位姿模拟 图6 5 捕获机械臂的位姿模拟 1 0 3 1 1 0 图6 6 系统组成示意图 图6 7 系统实物图 图6 8 软件结构示意图 1 1 2 1 1 3 。1 1 3 1 1 4 图6 9r o b o ta 和空间机械臂的坐标示意图 图6 1 0r o b o tt 和空间机械臂的坐标示意图 图6 1 1 遥操作空间机器人捕获目标的地面模拟运动结果 1 1 6 1 1 7 1 1 9 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发袁和撰写过的研究成屎，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书筒使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：空凰i 蠼缝搓佳星型逛劐拉盔巫究 擘燃者馘：舣菇黼鲫晶 本人完全了解茸防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。允 许论文被查阅和借啁；可以将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扫描等复制手段保存汇编学位论文 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：空囤监厶虽握韭越整魁拉壅噩窥 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 鞫嬲；馥爨磊i 缝o 安麓l 滔 爨。麓；i 参醪荔攀妒翔汐羁整 田防科学技术大学研究生院博士学位论文 1 1 1 课题来源 第一章绪论 1 1 课题概述 本学位论文课题来源于以下两个8 6 3 课题：一 “大时延情况下遥操作机器人接触作业技术研究”( 编号：2 0 0 2 a a 7 4 2 0 4 5 ) 。空同机械手耳标捕获地面实验系统”( 编号：2 0 0 5 a a 7 4 2 0 3 1 ) 1 1 2 课题的提出及意义 随着技术的不断迸步人类的活动空间在不断地向太空扩展在人类走向太 空的过程中，空间站钓建立、维修，卫星的回收、释放等工作会越来越多i t , 2 1 。如 果所有这些工作都依靠宇航员来完成，其成本将是十分高昂的，也是十分危险的， 因为恶劣的太空环境会给宇航员的空间作业带来巨大的威胁宇航员的舱外作业 需要庞大而复杂的环境控制系统、生命保障系统、物质供给系统、救生系统的支 持这些系统不但具有很高的技术难度，而且成本高昂。用空间机器人代替宇航 员进行太空作业不仅可以使宇航员避免在恶劣太空环境中工作时可能受到的伤 害，还可以降低成本，提高空问探索的效益 从2 0 世纪印年代空问机器人开始应用到今天，空间机器人的应用领域在不 颂地扩大，从最初仅仅需要完成单纯的星球表面探测开始，。到现在需要完成卫星 豹回收、释放，舱内的科学实验以及空间站的在轨装配与维修等任务。，同时空间 机器人所承担任务的复杂性也在不断增加：从结构化、已知环境中的重复性操作 到非结构化、未知环境中的非重复性操作。而且其精度要求也越来越高，需要完 成一些诸如运动目标捕获，卫星装配，卫星维修之类的精密任务为了适应操作 环境的未知性、操作任务舶复杂性、操作要求的精密性，空伺机器人需要具有较 强的环境适应能力从长远看，能够对环境进行感知、高度自主、能代替人类从 事各种空间作业而不需要人类干涉的智能机器人是空问机器人的最终发展方向 但受现有技术( 传蓐嚣技术。人工智能技术，控制技术等) 水平的限制，能够在 复杂、非结构环境中全自主工作的智能空间机器人在相当长一段时间内是难以实 现的，一个现实的选择就是从全自主方式转向局部自主方式，即有人参与的机器 人局部自主方式机器人在完成底层控制方面有优势，：能够精确地完成诸如位置 控崩、力控制这类任务，面人类在智能决策，异常情况处理等方面有优势。有人 参与的机器人局部自主控制方式综合了两者的长处，可以大大提高系统的控制精 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 度和对外界的适应能力。 遥操作就是一种典型的有人参与的机器人局部自主方式。遥操作一般为一个 电气或机械的系统，通过它操作者能够在本地端控制远端的机构完成一些操作任 务。白上世纪9 0 年代以来，空间机器人的遥操作技术受到了国内外的广泛关注， 欧洲、美国、日本等地区和国家都对空间机器人的遥操作技术进行了深入地研究， 其中比较有代表性的是欧空局( e s a ) 于1 9 9 3 年4 月进行的r o t e x 实验【3 】，以 及日本于1 9 9 7 年1 1 月进行的e t s - v i i 实验m 】。这些研究都完成了一些典型的遥 操作任务，取得了一定的成果，为遥操作技术在空间机器人上的应用打下了良好 的基础，显示了遥操作空间机器人在空间探索方面的巨大应用前景。同时也要看 到，遥操作空问机器人技术距实用还有很大的距离，还有许多关键技术问题需要 解决。 基于遥操作空间机器人的巨大应用前景，国内外都对遥操作及空间机器人的 控制进行了深入地研究【3 ，t ”，下面就对这些研究做一个简要的回顾。 1 2 研究综述 根据作用对象的不同，空间机器人的控制模式可以分为两种i l i 】：1 ) 空间机器 人基座参考系下的末端运动控制。此时空间机器人的末端向固联于基座坐标系中 的目标运动，如图1 1 所示虽然空间机器人手臂的运动可能会引起其基座的运 动，但由于目标固联在基座坐标系中，基座的运动会引起目标作相应的运动，所 以此种模式下空间机器人的控制同固定基座机器人的控制完全一样。2 ) 惯性参考 系下的末端运动控制。此时空间机器人的末端向固联于惯性坐标系中的目标运动， 如图1 2 所示。由于空间机器人手臂的运动可能会引起其基座的运动，且作用对 象固连在惯性系中，此种模式下空间机器人的运动学和动力学模型同固定基座机 器人的运动学和动力学模型有很大的差别，控制方法也有很大的不同。根据空间 机器人的基座是否受控，此种模式下空问机器人的运动控制可进一步分为四类t 1 2 ： 1 、基座固定。这种方式采用装载在基座上的喷气装置来补偿机械手运动对基座位 姿的干扰作用，保持基座位姿的稳定，从而可直接利用地面机器人的控制技术。 由于这种方法需要消耗对空间飞行来说十分珍贵、难以补充的燃料，从而缩短系 统使用寿命，其应用受到限制2 、自由飞行( f r e e h y i n g ) 盼1 4 1 。这种方式采用 喷气装置或反作用飞轮仅仅控制基座的姿态而不控制其位置这类方法主要应用 于对位置不关心，但对姿态敏感的场合，控制方法比第一类复杂，也要消耗燃料 3 、推进器控制空间机器人的基座到达期望位置或姿态的方式。这种方式可以提高 空间机器人运动的自由度，在避免空间机器人末端与障碍物碰撞方面有很大的作 用，这种方式也要消耗燃料。4 、自由漂浮盼1 4 ( f r e e - f l o a t i n g ) 这种方式中空间 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 机器人的基座不受控，可在手臂运动的作用下自由运动，当没有外力和外力矩作 用在系统上时，系统的动量和动量矩守恒由于不对位置和姿态进行控制，这种 方法可以节省燃科，延长系统的工作时间呱1 6 1 。此外，这种模式还可以使机器人 末端的运动平滑【i l 】：由于航天器在操作过程中没有控制，为了避免它不可控的漂 移和旋转。应保证系统的初始线速度动量和角速度动量都为掣1 6 ，m 圈1 1 空间机器人基座参考系下的末端运动控制 田1 2 空闯机器人惯性参考系下的末端运动控镧 根据从手与作用对象的作用情况，遥操作空间机器人的控制可以分为两个阶 段： 1 ) 空问机器人接近日标并捕获钧阶段 此阶段空闯机器人和日标完全独立，空问机器人末端和目标对象都相对于惯 性坐标系运动，此时空间机器人的控制模式为惯性参考系下的末端运动控制如 果空间机器人自由漂浮，由于空间机器人系统的基座不固定，其运动学和动力学 模型以及控饲方法与固定基座机器人的模型和控制方法有很大的不同基座固定 的工业机器人固定在地面上，基座固定，机械臂本体的运动不会对基座产生任何 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 影响：而空间机器人固定在能够自由平移和旋转的空间平台上，空间机器人本体 的运动会引起机器人基座的运动，基座的运动又反过来影响本体的运动，本体和 基座之问存在运动学和动力学耦合。 在此阶段，由于空间机器人与作用对象之间没有接触作用，两者之间没有作 用力，则空间机器人的遥操作控制相对简单，只需考虑机械臂与基座之间的运动 学和动力学耦合对机械臂运动的影响。此时空间机器人的控制既可以采用自主的 方式，也可以采用遥操作的方式。如果采用遥操作控制方式，只需要主端控制从 端运动，而不需要把从端与环境的作用力反馈回主端，系统开环，时延对系统性 能没有影响。 2 ) 空间机器人捕获目标后接触作业的阶段。 此阶段空间机器人一直抓住目标，假定抓取十分紧密，则目标和空间机器人 系统成为一个整体，空间机器人的控制为如图1 1 所示的自身基座参考系下的运 动控制。此时空间机器人的运动学、动力学模型同固定基座机器人的完全一样， 两者的控制也完全一样。 在此阶段，由于空间机器人与环境接触，且需要完成的任务也比较复杂，空 间机器人的控制不能再采用自主的方式。遥操作控制方式将是唯一可行的选择， 而且遥操作时必须把从端的信息反馈回主端。 遥操作系统是指在本地端操作者的控制下能在远端环境中重复操作者在本地 端动作的一种远距离控制系统。遥操作系统最早出现在2 0 世纪4 0 年代【培1 9 】，其 目的是为了处理对人体有害的核原料。第一个遥操作系统是一个完全机械的系统 【i 。】i 其主端与从端之间的距离很短i 整个系统只能完成一些很简单的任务改进 的系统用电气连接代替了文【1 8 】中主从端之间的机械连接，使得系统的性能有很大 的提高【1 9 1 。 遥操作技术虽然是为了处理核原料提出来的，但现在它的应用范围已经扩展 到各个方面幽l ：1 ) 人类不能直接到达的场合。比如说深海、距离很远的外层太空 等【2 1 ，捌；2 ) 对人类有害的场合比如说有核辐射的场合【i s 1 9 l ；3 ) 延长专业人员 的服务范围，比如说远程医疗、远程手术等t 2 3 - 怂 j ，通过这种方式就可以把专家的 技术服务范围延长到全球范围。遥操作系统能够大大扩展人类的活动范围，代替 人类完成一些危险和不能直接完成的任务。 遥操作系统面幅的首要问题是遥操作人员如何能够获得足够的、实时的远端 环境信息。获得遥操作远端环境的信息，无疑受限制于通讯带宽及传输时延。但 不管怎样，提供给遥操作人员的远端环境信息，应该是遥操作人员能够理解的形 式，最好是实时的、无时间延迟的信息。任何关于远端环境的先验信息，都可以 通过基于模型的方法应用到遥操作系统当中，其目的在于使操作人员的操作就像 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 在远端操作现场直接揉作一样，这就是临场感技术嗍的理想文献中基本上有两 种使遥操作人员获得远端环境信息的方法：视觉反馈和力觉反馈视觉反馈又分 为现场直播视觉信息反馈和预测显示反馈。现场直播视觉信息反馈是一种经过时 间延迟