毕业设计文献阅读报告(遥操作机器人的时延控制)

毕业设计文献阅读报告遥操作机器人的时延控制 日期：2012 年 1 月 13日1、 毕业设计相关问题的研究背景遥操作机器人系统由操作者、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。操作者指令通过主端机器人、通信环节和从端机器人作用于环境，对环境的感知信息则经过上述环节返回到主端操作者，使主端操作者有身临其境的感觉，从而有效完成操作任务。遥操作系统能将人所在的主端的命令和行为传到并作用在远端，实现对远端环境的期望的操作和控制，从而极大地提高操作者的安全性和工作效率，节俭成本，更高效合理地利用人力资源，实现多方协调作业等参考文献：1 景兴建, 王越超, 谈大龙. 遥操作机器人系统时延控制方法综述 J. 自动化学报,2004, 30(2): 214-223.。随着遥操作控制技术不断成熟，遥操作机器人系统越来越引起学术界和工业界注意。由于其应用前景越来越广阔，已经成为当今机器人研究领域的一大热点。在空间探索、海洋开发、远程作业这些人类难以到达或未知环境中，遥操作系统的必要性不断增强；在高空、深海，核环境、生化环境等这些对人体健康有害的环境中，遥操作系统必不可少；在煤矿、建设、军事战场等恶劣环境中，遥操作系统有很好应用前景。此外，为了实现在这些环境中的复杂作业，被运行的操作任务包括复杂机械和环境的交互作用，要求操作者具有广泛的经验和直接熟练的知识。这些技能在现阶段不容易被做成模型。因此对于非结构环境和动态时变环境中的复杂作业由于受到资金、技术水平和运作的不确定性等方面的限制2汤宇松，刘景泰，卢桂章.利用远程网络技术的机器人遥操作系统分析J. 机器人，2000，(1)：15-20，尤其是工作在危险环境下的机器人，需要人类的不断介入，对遥控装置的作业进行适度的理解、计划和控制。基于以上原因，遥操作机器人大有用武之地。1.1、遥操作机器人的发展概况遥机器人技术的发展历程总体上可分为两个阶段：第一阶段是驱动方式的进步，从机械联动发展到电动伺服，基本形式是双向力反应主从操作，应用领域主要是核工业和太空探索；第二阶段是控制方式的进步，八十年代以后，计算机技术、控制理论、人工智能和通讯科学的飞速发展，引导了计算机辅助遥控的出现，即第二代机器人遥操作技术。90年代以后，机器人技术的研究出现了新的局面，这就是机器人与其它领域的交叉，特别是机器人与计算机、通信和网络的交叉。这种交叉的发生改变了机器人研究的局面，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崭新的活力。1.1.1、国外遥操作机器人技术发展概况1997 年，美国 Wilkes 大学 M.R. Stein3STEIN M R Painting on the World Wide Web ： The puma paint projectCProceedings of the 1998 Conference on Telemanipulator and Telepresence Technologies，Boston，1998：201-209将一台用于画图的 PUMA760 机器人与 Internet 连接。机器人的末端配有四个绘画用的刷子，可以选择红、绿、蓝、黄四种颜色，远程操作者通过浏览器注册，下载一个小的控制程序来控制机器人画图。1998 年，Swiss Federal 技术学院的 P. Saucy4SAUCY P，MONDADA FKhepOnTheWeb：Open access to a mobile robot on the internetJIEEE Robotics and Automation Magazine，2000，(7)：41-47博士进行了基于 Internet 的移动机器人控制的实验；同年，美国 Carnegie-Mellon 大学 R. Simmons5SIMMONS R，FERNANDEZ J L，GOODWIN R，et alLessons learned from XavierJIEEE Robotics & Automation Magazine，2000，7(2)：33-39完成了通过 Internet 的移动机器人(Xavier)导航实验，可以通过 Internet 控制移动机器人在楼内各个房间运动，完成传递文件的任务。2000年日本国家空间研究所(NASDA)成功地对人造卫星上的机器人进行了遥操作。2004 年美国国家航空和宇宙航行局(NASA)的“勇气号”火星车成功登陆火星，并向地球传回了火星表面的照片。2005 美国 Coordinated Science 实验室开发出了半自主人机协作多机器人登月探测遥操作系统，实现了地球和月球上操作者的双向遥操作，并能控制月球机器人在月球上建造人类生活环境、为太阳能光电板充电以及为利用本地能源控制多个机器人协作挖掘岩石。2008 年 3 月，美国“奋进”号航天飞机将由加拿大航天局负责分工制造的Dextre 大型机器人运送到国际太空站并组装完成。Dextre 重约为 1560 公斤，身高为 3.7 米，两臂平伸的长度是 2.4 米，其中每只手臂上有可以自由转动的七个关节，非常灵活。这也是人类有史以来在太空安置的最大的机器人装置。近年来，虚拟现实技术与空间机器人技术的有机结合越来越成为空间机器人研究关注的焦点。虚拟现实（VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的多传感融合与多媒体集成的计算机系统。人们可以利用该计算机系统生成某种虚拟环境(如宇宙空间、水下等作业环境)，借助各种传感设备使操作者“投入”到该环境中，实现操作者与该环境的直接自然交互。俄罗斯、法国和英国三个国家的研究人员合作完成的遥操作实验，采用 Java 和 Java3D 技术建立了一个三维的虚拟环境，通过 Web 方式访问远程网络上的遥操作机器人系统，利用数据手套控制机器人运动。1.1.2、国内遥操作机器人技术发展概况我国非常重视机器人技术的研究。1986 年，国家八六三计划将智能机器人列入其中，开始了对遥机器人技术的研究。经过三十年的艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，在空间、海洋、远程教学等应用领域取得了阶段性成果。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6徐旭明，叶榛，陶品，等基于视觉临场感的机器人遥操作系统J高技术通讯，2000，10(3)：57-60。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7戴炬异机构遥控主从手的双向力反映J控制理论与应用，1996，13：259-261，哈尔滨工业大学开发了空间机器人共享系统8 郭舫舫，赵杰，蔡鹤皋一个基于阻抗矩阵的双向力反应遥操作系统模型J机电工程，1998，(2)：43-44，北京航空航天大学开发了基于 Internet 的遥操作系统9游松基于国际互联网的遥操作机器人系统的研究北京航空航天大学博士学位论文，2000：1-18，南开大学开发了基于互联网主从式遥操作平台10马宏鹏，安刚，赵新，等基于互联网的机器人遥操作系统平台J自动化与仪表，2000，15(6)：3-7，上海交通大学开发了基于 Web的机器人遥操作系统11任昊星，翁海华，杨杨，等基于 Web 的机器人遥操作的研究与实现J计算机工程，1999，25(5)：64-65，国防科技大学开发了基于 VR 技术的监控式大时延机器人系统12韦庆，李杰基于事件反馈的机器人监控技术及其在大时延遥操作中的应用C空间机器人及遥科学技术研讨会论文集，1999：307-313，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13吴国钊，傅雪冬，裴海龙基于 Internet 的机器人实时跟踪系统J机器人技术与应用，2000，(1)：24-26，东南大学开发了力觉临场感遥操作系统14丁希仑，李海涛，解玉文，等基于 Internet 的拟人双臂机器人遥操作系统的研究J高技术通讯，2006，16(8)：808-812。这些成就说明了我国在遥操作机器人领域取得的进展。国内关于虚拟现实（ VR） 的研究工作从 90 年代初开始。我国八六三计划中，自动化领域智能机器人主题以及航天领域空间机器人专题于1996年开始将遥操作机器人技术列为关键技术加以研究，清华大学、东南大学、中科院合肥智能所、北航、哈工大、沈阳自动化研究所等已先后开展了基于 VR 的遥操作机器人技术的研究。其中清华大学较早开展视觉临场感的研究。北京航空航天大学计算机系和浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室是国内最早进行 VR 实现算法研究的单位，他们主要针对虚拟环境中物体物理特性的建模与图形渲染的快速生成等开展了一些应用基础研究。沈阳自动化研究所以水下机器人的遥操作作业为应用背景，提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知信息辅助机器人遥操作系统，使用了 CAD 模型和立体视觉信息完成遥操作机器人及其作业环境的几何建模和运动学建模，实现了虚拟环境的生成和实时动态图形显示，并研制了一套主从异构式虚拟监控遥操作系统。2、 遥操作机器人的时延控制最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上15Shemdan T B. Space teleoperation through time delay : Review and prognosis. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 1993.9(5):592606,由于电磁波传播速度及信号收发处理方面等的局限性，遥操作系统往往存在比较大的时延。这些时延会给系统的知觉感受和操作性能带来极大影响16Ferrell W R. Remote manipulation with transmission delay . IEEE Transactions on Human Factors in Electronics . 1965,HFE-6(1) 。于是在原有遥操作系统上，就逐步增加了信号反馈，尤其是力反馈信号。然而，这虽然提高了遥操作系统的操作性能，但是由于时延的存在，系统的稳定性受到了影响。因此，在存在时延、扰动和误差等干扰的情况下，设计控制器除了要保证稳定性外，还要克服时延的影响。为此，共享柔性操作、阻抗控制、监督控制和预测控制等控制策略相继被提出和应用。然而，这还没有使对遥操作系统的控制达到满意效果。尤其是近年来，Internet网络被引入遥操作系统充当主从子系统间的通信环节后，遥操作系统的控制又增加了新的困难。由于Internet网络采用特殊的信号传递方式和机制，信号在传递过程中会遇到时延、丢失、乱序和同步等问题，而且这种时延是随机时变的，更可能未知17Chen N. Qos strategy for tele-robotic systemPH D dissertation. Shenyang: Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, 2002(in Chinese)。这就使遥操作系统的控制更为复杂。因此，近年来对遥操作系统时延控制的研究成为热点问题。下面介绍几种流行的遥操作机器人时延控制方法：2.1、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18Raju G. Design issue in 2-port networks models of bilateral remote manipulationJ. IEEE Trans on Auto-Control , 1989,34(3):1316-1321。通过分析发现，造成系统不稳定的原因在于通信时延造成了传输线的有源性。要解决系统的稳定性问题，关键是要控制本地和远端的传输环节，使其具有无源传输线的性能。基于二端口网络的理论，学者们主要提出了散射理论和波变量理论。 散射理论使一套能保证系统在任何时延下稳定性的无源控制算法，由Anderson和Spong在1989年提出19Anderson R J, SpongM W. Bilateral control of teleoperation with time delay J. IEEE Trans. On Auto. Cont. , 1989, 34( 3): 494-503.。Niemeyer和Slotine在1991年提出波变量的概念, 利用能量流理论来解决传输线的有源性, 从而保证系统在任何时延下的稳定性而提出的控制算法20Yokokohji Y, Yoshikawa T. Analysis of maneuverability and stability for masterslave systemA. Proc. of USA Japan Symposium on Flexi ble AutomationC. San Diego, CA, USA, 1988: 433-440。这两种力量的本质是一样的，有如下模型：2.2、基于事件的控制方法在遥操作系统中，如果时延很大或者不可预测，传统方法很难达到控制效果。于是，有学者提出了基于事件的控制方法。这种方法为系统寻找一个与时间无关的参量，即事件。控制系统的规划和设计都是基于事件这个变量进行的。1999年席宁研究员将他和谈自忠教授于1993年前后提出的用于多机器人协作的基于事件的规划与控制方法用于机器人遥操作21Xi N, Tarn T J. Action synchronization and control of Internet based telerobot with force reflectionA. Proc. of IEEE Int. Con.f on Rob. And Auto. C. Detroit, MI, USA, 1999: 2964-2969., 取得了卓有成效的成果。但是, 随着应用的不断拓广, 要求机器人在动态变化的和非结构化的环境下完成特定任务越来越多。这种条件下, 这种基于事件的遥操作已经不能满足需要。因此, 2003年, 他和王越超研究员等人又进行改进,提出利用谓词不变性的状态反馈并利用混杂Petri网来提高机器人的自主性和操作性能。基于这种方法，机器人执行一个指令后，在下一条指令没有到来之前，会自己继续执行一个不违反系统任务的动作。2.3、基于现代控制理论的方法对于遥操作系统，可以借助李雅谱诺夫稳定性理论，得到系统与时延有关或无关的控制。Leung和Francis等人利用基于“无源距离”和“透明距离”的综合评价法设计遥操作系统的结构, 并利用H 最优控制理论指导时延下遥操作系统中控制器的设计。但是由于现代控制理论的不完善以及系统实现上的困难，它对解决机器人遥操作系统的通信时延问题目前仅停留在理论和方法的探讨上。2.4、基于虚拟现实技术的方法基于电路网络理论的无源通信法则所实现的控制算法对解决短时延问题具有较好的效果, 而在长时延的情况下,要实现在保证系统稳定时又同时具有良好的可操作性则显得无能为力；现代控制理论目前还不完善，其系统实现上也存在困难, 基于现代控制理论所提出的各种控制算法亦未能较好地解决系统通信时延问题。因此，许多研究者将注意力转向了虚拟现