时延力反馈遥操作系统的跟踪性能及稳定性研究

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1、南昌大学博士学位论文时延力反馈遥操作系统的跟踪性能及稳定性研究姓名：胡凌燕申请学位级别：博士专业：机械电子工程指导教师：刘国平；刘小平20111206 ��摘要 摘要的额外运动，使波变量遥操作变得轻松自如。关键词：遥操作；波变量；跟踪补偿；时延；力反馈；稳定性。 �������������．��������������������������������，����，����������瑂����．������．�����琣�����������������������������．�������

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3、��������������������������．����������������������� 第一章绪论遥操作系统利用通信网络将主从设备连接起来，当操作者操纵主端设备进行某一个动作时，相应的控制信号能通过通信通道传输到远距离的任务端，指挥从端设备完成相应的操作。如果从设备在人难以到达或有危害的环境中，则操作者可以通过操纵主设备，指挥从设备在人不能到达的环境下完成相应的操作。在遥操作系统中，因为借助了人的感知能力和人的智慧、经验等，克服了完全自主式设备��魅�在传感、智能方面的限制，从而使

4、得从设备能在陌生和动态的系统中更加有效地执行任务。 从二十世纪六十年代开始，遥操作的研究已经有一些成功的案例，如通过遥操作已经可以让从端设备代替人到太空，深海，或者危险环境下去工作，也可以扩展或延伸一些特殊专业技术人员的能力，通过远程控制来完成一些复杂的专业技术工作，如给偏远山区病人实施手术等。因此遥操作技术在工业，服务，医疗，国防，救援，空间技术等多个领域有着广泛的应用前景。我国对遥操作技术的研究起步比较晚，从上世纪八十年代末，�年代初才开始进行遥操作机器人的研究，随着国外遥操作机器人在海洋开

5、发、空间站维护、遥控手术、虚拟现实等许多领域的成功应用，我国也开始把临场感遥操作机器人技术作为智能机器人主体的关键技术进行研究，并且在遥操作技术的研究上也陆续取得了一些进展，李东洁【�，张红芬【�浚�镄》妗�】，艾海舟‘�，王裕遥操作系统中透明性和逼真性是衡量遥操作系统性能的另一个重要指标，如果系统是完全透明的，由从端传递到主端的环境力让操作者感觉起来，就好像在直接对环境进行操作，具有完全身临其境的感觉，这是遥操作系统的一种理想状态。在通常情况下，透明性和稳定性是两个互相矛盾的目标，对于有时延的

6、遥操作系统，在保证系统稳定性的要求下，透明性往往很难保证。但是，� � 相位超前或滞后时，会造成系统的不稳定。���羽，���趾��等人研究了基于事件的控制方法。该方法以与� ��．��贖。理论的控制方法统的扰动或者模型的不确定因素对系统的影响降低到期望的程度。对于有时延的阻抗��液�，厶，只为主从机械臂的传递函数，‰，墨为主从机械臂� 遥操作控制的目标是使从机械臂的位移跟踪主机械臂的位移。假设在遥操作系统的主端采用阻抗控制，相应地控制算法为：％�玩一鲁砜�鲁��逡宦�����‘一七。‰。滑模控

7、制的切换函数为：％��加。利用趋近律的方法，选择合一���一������。此时�以�，满足滑动模态的存在条件。� 第一章绪论滑模控制设计的关键在于选取合适的切换函数和控制器，使滑模变结构控制的条件能够满足。只有合理的选取切换函数才可以保证系统在运动过程中的滑动模态渐进稳定，并且只有合适的控制才可以保证系统正好在切换面上的滑动模态运动。如果切换函数和控制器选得不够好，则系统的性能很难保证，甚至根本无法稳定。现实利用计算机图形及相关技术，生成一种虚拟环境并给用户提供逼真的视、听、触、力等多维感觉。操

8、作者通过人机交互设备，能够操纵虚拟设备的运动，并通过各种传感器设备，给操作者各种感觉的实时反馈，使操作者“投入”到该环境中，与环境直接交互一样，有“身临其境”的感觉。基于虚拟现实的遥操作系统，在主端即操作者端需要建立了从设备及其任务环境的虚拟模型。当操作者操纵主设备时，一方面，虚拟环境根据操作者发出命令的执行情况计算环境与从设备的交互作用力，更新从设备的位置信息，并实时反馈给操作者；另一方面，相应的命令信号通过通信通道传递到从端，控制从设备产生相应的动作。在具有虚拟现实的遥操作中，由于计算机能够