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摘要为提高遥操作力反馈控制系统在时延下的控制性能，本文研究了波变量控制方法和Smith 预估控制方法。首先，利用绝对稳定性判据分析了双向力反馈控制结构的稳定性；通过定义透明性的度量指标分析系统的透明程度。其次，在分析力-位置控制结构和遥操作系统数学模型的基础上，设计了波变量控制器；对结构图进行等效变换，针对时延遥操作系统设计了Smith预估器。最后通过数字仿真对比分析了两种算法的控制性能。仿真结果表明，两种方法均能提高带有确定性时延的遥操作系统的稳定性，波变量法对时延及参数不确定具有更好的鲁棒性，而 Smith 预估器法在对象模型已知且时延确定的条件下可获得更好的控制性能。 41520
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毕业论文关键词 遥操作 力反馈 时延 波变量 预估器
Title On Force Feedback Control for Teleoperator Robot
Abstract To improve stability and performance of teleoperation force-feedback control system with time delay, wave variables strategy and Smith Predictor strategy were respectively utilized. Firstly, stability of bilateral force feedback control structure was analyzed through Absolute Stability Criteria and transparency of the structure was quantificationally analyzed by definition of metric function. Furthermore, Wave variables controller was designed based on the force-position structure and the mathematical model and the Smith predictor was designed through equivalently transforming the block diagram of the bilateral teleoperation system. Robustness and control performance of the two algorithms were analyzed in contrast through digital simulation. Simulation results demonstrate that the two strategies both improved stability of teleoperation system with fixed time delay. In comparison, Wave variables strategy has the better robustness for uncertain time delay, while Smith predictor strategy achieves good control performance with known model parameters and time delay.
Keywords teleoperation; force feedback; time delay; wave variables; Smith predictor
目次
1绪论1
1.1研究课题背景及意义.1
1.2国内外研究现状及分析.2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状2
1.3遥操作控制技术综述.3
1.3.1力反馈遥操作控制结构3
1.3.2遥操作时延系统的控制方法5
1.4本文主要内容及安排.7
2双边遥操作控制结构设计9
2.1双边控制系统.9
2.2单自由度时延遥操作系统动力学模型.9
2.3力反馈控制结构性能分析.11
2.3.1稳定性研究11
2.3.2透明性研究15
2.4本章小结.16
3基于波变量的力反馈控制结构17
3.1时延力反馈无源稳定性研究.17
3.1.1无源系统17
3.1.2散射算子18
3.2波变量基本理论.19
3.3波变量控制器设计.20
3.4本章小结.21
4基于预估器的时延控制方法22
4.1预估器的基本概念.22
4.2基于单自由度遥操作系统的预估器设计.23
4.3本章小结.25
5基于波变量和预估器的遥操作系统数值仿真26
5.1波控器中参数b的选取对系统的影响.27
5.2波变量控制与预估器控制仿真对比.28
5.3对参数与时延不确定性的鲁棒性分析.29
5.4本章小结.31
结论33
致谢35
参考文献36
1 绪论 1.1 研究课题背景及意义 随着智能机器人技术的研究和发展，如果智能机器人能代替人在险峻的条件（核、战场、毒害、火灾、电力系统检修文护）下工作，将给人类带来巨大的方便，减少很多不必要的人员伤亡。全自主式机器人需要在远端与环境进行交互，完成指定任务，但是由于受到机构、传感技术水平、控制技术的限制，机器人还无法实现在复杂环境或未知环境下全自主地工作。因此，机器人技术研究的重心从全自主式机器人转向交互式机器人。人机交互的核心是临场感技术[1]。临场感主要分为力觉、视觉、触觉、听觉、嗅觉和觉临场感。力觉临场感即力反馈技术是临场感的主要形式之一，加入力觉临场感可以很好地提高遥操作机器人系统的性能。 遥操作控制系统起源于上世纪四五十年代，美国阿贡国家原子能实验室[2]研发了世界上第一个用于处理放射性物质的主从遥操作机械手，虽然这套主从遥操作系统没有使用任何临场感技术，工作速度缓慢，且很难控制，但它标志着遥操作思想的诞生，为后来的遥操作技术的研究奠定了基础。 上世纪60年代，研究人员发现通信时延很可能导致遥操作系统不稳定，于是时延问题进入了人们的视线，成为遥操作机器人的研究热点。无源控制理论和 Lyapunov 分析法为遥操作系统的控制方法提供了理论工具，遥操作机器人控制研究得到了快速的发展。 最初由于原子能的应用需求，遥操作系统开始出现。很多遥操作系统实际应用到了原子能领域，比如，1982 年，美国中央研究室设计并建造了称为 M2 的模型机，用于美国核能研究，这是第一套实现主从遥操作力反馈的系统；同样是由于核能的应用需求，1985 年法国原子能委员会的 Vertut 和他的团队研发了一套加入了计算机辅助功能的遥操作机器人系统，大大地改善了遥操作性能。空间领域的探索也是推动临场感遥操作机器人发展的动力之一，探测行星、卫星，文护空间站与开展科研任务都需要研制各种功能的遥操作机器人。在医疗领域，远程手术开始成为近年来的研究热点，有很大的市场需求。力觉临场感遥操作机器人还应用于微创手术领域，与传统的临床手术相比，微创手术减少了病人生理上的痛苦，其中临场感靠力反馈技术实现，保证手术安全顺利地进行。 综上所述，力反馈遥操作机器人的研究对各个顶尖领域都有重要的现实意义。
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