毕业设计开题报告遥操作机器人的时延控制

1、毕业设计开题报告 遥操作机器人的时延控制 日期：2012年 1月 13日1、 课题研究背景1.1、遥操作机器人系统概述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1。最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上2,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3，于是在原有遥操作系统上，就逐步增加了力反馈信号。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，控制器的设计除了要保证系统的稳定性外，还要克服时延的影响。1.2、遥操作机器人的研究意义遥操作不同于遥控，它在人控制远方机器人的同

2、时，又必须得到机器人在“知觉”上的反馈。实现机器人在“知觉”上反馈的办法，就是使用临场感技术。临场感技术是以人为中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息（包括视觉、力觉、触觉、听觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者（人）处，生成和远地环境一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务4。事实上，在应用了临场感技术的遥操作机器人系统中，对于操作者来说，意味着他将“沉浸”在远地环境中。这样，遥操作机器人系统就可以代替人类完成远程环境和危险环境下的任务，保护人类的安全。在空间探索中，它可以完成卫星修理，空间站维护，月球、火星等行星的勘探等任务；在海洋开发中，它可以完成海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等任务；在军事领域，它可以完成战场调查、防化、扫雷、救护等任务；在民用领域，它可以完成核电站维修、远程医疗、远程教育、远程科学实验等任务。总之，遥操作机器人的应用使人摆脱了传统操作者的角色，由直接操作变成了遥操作。2、 国内外研究状况2.1、遥操作机器人发展历程上个世纪四十年代，Fermi领导他的团队在 Argonne

3、 国家实验室进行核试验，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。1948 年，世界第一个遥操作系统由 Goertz 在国家实验室研制成功。1954 年，Goertz 设计了第一台电子程序可编的工业机器人是一个带伺服反馈的机电遥操作系统5，由操作者对车辆进行远程控制，操作性能得到很大改善。后来从动力学和运动学角度设计的双向控制方法的引入，使得设计适合于人手使用的操纵杆成为现实，大大减轻了操作者的负担。20 世纪 80 年代对智能机器人的研究表明，由于机构、控制、人工智能和传感技术水平的限制，在短时间内尚难研制出能在未知或复杂环境下工作的全自主式智能机器人。90 年代以来，Internet 得到了迅速发展，已经联系超过 160 个国家和地区，4万多个子网、500多万台电脑主机，直接的用户超过 4000 万，成为世界上信息资源最丰富的电脑公共网。将Internt技术被引入遥操作机器人领域，将其作为遥操作系统的通讯环节，由于 Internet 引入系统会产生变化的随机的时延会影响系统的稳定性和可操作性。因此，由 Internet引起的变化的、随机的时延问题成为学者研究基于网络

4、的遥操作机器人必须攻克的一个难题6。2.2、时延控制方法的研究现状早在1966年就有学者讨论了遥操作机器人系统中的通信时延问题，但是当时没有考虑力反馈，所以存在不稳定的问题7。随后又有人提出“移动等待”的策略来解决不稳定问题。但是这种方法降低了系统工作带宽，这不仅使力反馈信息模糊，而且给操作者带来极大负担，操作者容易疲劳。随着空间技术和海洋技术的发展，通信时延对具有遥操作机器人的影响越发受到重视8。许多国家的学者对这一问题进行了探索，目前主要形成了以下几种方法：2.2.1、基于电路网络理论的无源控制法：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9。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，关键是要使传输线具有无源性。2.2.2、基于现代控制理论的控制算法加拿大多伦多大学的Strassberg和Goldembeng等人则利用现代控制理论中的李雅普诺夫稳定性判据分析遥操作系统的稳定性10。Lawrence提出了“无缘距离”和“透明距离”的概念。Leung和Francis等人利用这

5、些概念的综合评价法设计遥操作系统11。2.2.3、基于虚拟现实技术的控制结构和控制算法基于电路的理论，在长时延的情况下，不能在保证稳定性的同时又具有很好的操作性。而现代控制理论又不甚完善，这使基于现代控制理论的方法又很多问题不能解决。因此，许多研究者将虚拟现实技术应用于遥操作机器人系统。虚拟现实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12。这种克服时延的方法，不但解决了稳定性，而且使系统具有很好的操作性。2.2.4、基于事件的控制算法在遥操作系统中，如果延时过大或者是随机的或不可预测，如网络遥操作系统，传统方法很难达到效果，这时学者们引入了基于事件的控制算法13。这种理论的基本点在于引入一个不同于时间的新的运动参变量，该变量随控制过程的进行而更新，实时的传感信息是这种更新的依据。系统的理想输出是此参梁的函数，在系统运行过程中，通过规划器实时修正系统的目标输出值，使得系统运动规划过程成为实时过程，具有自适应的特性

6、，并有利于得到优良的控制效果14。基于事件的方法由于采用了非时间基的时钟来推动整个的运动，从而巧妙地绕开了信息传输的不确定时延并保证了系统的稳定性。三、研究内容3.1、课题研究目的本课题将研究遥操作机器人时延控制的特点，提出系统设计原则和方案；并以此为基础，设计一种遥操作机器人时延控制算法，运用仿真软件搭建系统模型，进行系统仿真实验。3.2、遥操作机器人系统体系结构 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。它的系统构成图如图1所示：图1：遥操作机器人系统体系结构3.3、遥操作机器人系统的模型遥操作机器人的系统的动力学模型如下：（1） 主端机器人子系统模型：（2） 从端机器人子系统模型：（3） 环境：3.4、基于二端口网络的控制方案将遥操作系统与电路系统进行类比，用二端口网络的方法研究遥操作系统。只要保证传输线的无源性，就可以保证系统的稳定性。3.4.1、二端口网络如果有两对端子满足端口条件，即对于所有时间t，从端子1流入方框的电流等于从端子1 流出的电流；同时，从端子2流入方框的电流等于从端子2 流出的电流，这种电路称为二端口网络。用二端口

7、概念分析电路时，仅对二端口处的电流、电压之间的关系感兴趣，这种相互关系可以通过一些参数表示，而这些参数只决定于构成二端口本身的元件及他们的连接方式。一旦确定表征这个二端口的参数后，当一个端口的电压、电流发生变化，要找出另外一个端口上的电压、电流就比较容易了15。图2：二端口网络3.4.2、二端口网络的有源性和无源性无源性：对一个N 端口网络，若在任何时刻t0和任何t t0时刻，对于所有容许的信号 V (t )和 i (t )来说，储存和供应到该网络的能量，在所有的时间t均为非负值，即： 则该网络就是无源网络。无源网络是任何时候都不能释放出能量的。有源性：一个N 端口网络，当且仅当对于某一激励，某一时刻初始时间t0和任何t0 t时刻的某一时间有下列关系，即：则该网络就是有源网络。有源网络可以释放出能量。4、 毕业设计总体进度安排2011年11月 查阅相关文献资料及学习相关知识。2011年12月 撰写开题报告、文献阅读报告。2012年3-4月 设计整个遥操作机器人时延控制器的算法。2012年5月 利用matlab软件进行系统仿真模拟。2012年6月 撰写毕业论文。参考文献：1 景兴建, 王

8、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): 214-223.2Shemdan T B. Space teleoperation through time delay: Review and prognosis. IEEE Transactions on Robotics and Automation , 1993.9(5):5926063Ferrell W R. Remote manipulation with transmission delay . IEEE Transactions on Human Factors in Electronics . 1965,HFE-6(1)4刘寒冰 赵丁选. 临场感遥操作机器人综述 J. 技术应用,2004,1:42-455Hashtrudi-Zaad, Design、implementation and evaluation of stable bilateral tele- operation control architectures for enhanced tele-presence.

9、 Ph. D dissertation. The University of British Columbia. 2000.6宋娟. 网络遥操作机器人的时延控制：硕士论文，长春：吉林大学，20097FerrelWR. Delayed force feedback J. IEEE Trans. on Human Facors, 1966, 9(5): 449-454.8陈俊杰. 空间机器人遥操作克服时延影响的研究进展 J. 测控技术,2007,26(2):1-79Raju G. Design issue in 2-port networks models of bilateral remote manipulationJ. IEEE Trans on Auto-Control , 1989,34(3):1316-132110Strassbrg Y , Goldenberg A A, Mills T K A new control scheme for bilateral teleoperating system: lyapunov stability analysisA. Proc of the IEEE Int Conf on Rob and Auto C. Nice, France, 1992: 837-84211Lawrence DA. Stability and transparency in bilateral teleoperationJ.

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