遥操作系统的稳定性与透明性分析

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1、万方数据第36卷第2期数学的实践与认识v01．36No．22()06年2月MATHEMATICSINPRACTICEANDTHEORyFeb．，2006一t，’，'’'’，，’l'、^-；应用i、t‘‘l。‘tt‘‘‘‘，遥操作系统的稳定性与透明性分析方涵先1，陈启宏2(1．南京信息工程大学．南京2l0042；解放军理工大学大气探测系。南京2儿101)(2．武汉理工大学自动化学院．武汉430070)摘要：遥操作机器人系统的通信通道巾存在通信时延，而且机器人模型存在不确定性．以致可能造成系统不稳定和操作性能降低．针对通信时延和系统不确定性，利用鲁棒控制理论，提出用力、位置和速度反馈的控制方法．

2、使得系统稳定．且具有良好的透明性．仿真结果表明了该方法的有效性．关键词：遥操作；时延；不确定；渐近稳定；鲁棒控制；透明性l引言在过去的几十年中，遥操作系统得到了广泛的应用，然而，随着遥操作机器人系统应用范围的扩大，人们在感受到遥操作机器人工作能力提高的同时，也认识到稳定性、鲁棒性及操作性能进一步提高所遇到的困难：由于远地从机械手和本地控制站间的距离随着应用领域的扩展而越来越远和通信带宽的限制，两者间的信号传输时延越来越突出(可由几秒到十几秒)；另外，系统参数存在不确定性，这些都给系统的控制增加了一定的困难．这些问题严重影响了系统的正常工作，降低系统操作性能，甚至造成系统不稳定．所以．设计控制

3、器消除或减少时延和不确定因素对系统的影响具有十分重要的意义．对力觉临场感遥操作机器人系统控制器进行设计，不仅要保证系统的稳定性，还要保证良好的跟踪性能和透明性．所谓透明是指操作者感觉到好像在直接对环境进行操作。具有身临其境的感觉．但I。awrenceDLI3指出，同时保证稳定性和透明性是很困难的．在保证系统的透明性时，稳定性条件大大加强，有时甚至无法稳定．Anderson[2]、Niemeyer∞3基于无源性和散射理论对控制器进行了设计，使得系统元源，从而能保证任何时延下系统的稳定性，但时延越大。系统操作性能越差．Hashtrudi—Zaad【43用四通道的方法分析了系统的操作性能，并最终用

4、三通道实现，但并不能使透明性达到最佳．宋爱国[51在无源的基础上提出了阻抗匹配的概念，大大提高了系统的操作性能．[1]一[7]在保证系统稳定性的同时，也对透明性进行了分析，但都没有达到最佳透明性，且在控制中需要用到主、从手的加速度，增加了系统的实现难度．Munir¨]提出了用观测器对从手状态进行观测的思想，但不一定能保证系统的稳定性和良好的透明性．Park[9]通过设计滑模控制器，保证遥操作机器人系统在时延下的稳定性．Niemeyerno]提出了波变量积分思想，即在波变量控制中，首先将波变量信号进行积分．然后传输到从手，在从手端用滤波器对积分信号进行重构，使得系统稳定．收稿日期：2003一1

5、2一09基金项目：回家自然科学基金(40505005)与江苏省气象灾害重点实验室(KLME0502)资助项日万方数据2期方涵先，等：遥操作系统的稳定性与透明性分析165本文利用鲁棒控制理论，提出用力、位置和速度反馈减小或消除时延对系统的影响，使系统对参数鲁棒渐近稳定，而且使系统获得良好的透明性．控制器的实现不需测量主、从机械手的加速度，从而控制器设计简单易行．分析与仿真表明，用该方法设计的控制器能使系统鲁棒渐近稳定而且具有良好的透明性．2问题的提出考虑如图1所示的单自由度遥操作系统，操作者的位置指令通过主机械手(简称主手)、通信环节和从机械手(简称从手)作用于环境，而环境对从手的作用力经过上

6、述环节返回到操作者手部．图l遥操作系统结构框图由于元件的老化和工作环境的变化，机器人参数可能会发生变化，而且我们在对机器人建模时，也不可避免地产生建模误差，所以模型中含有不确定项，主、从手和环境的动力学模型通常用如下方程描述：／j(f)=(^4。+△M。。(f))0．。(f)+(B。+△B。(f))口。。(f)+z‘挑(￡)(1)￡幻(f)一(M+△M(f))0，(f)+(B，+△B，(f))u，(f)+f(￡)(2)r／?=(M?+△Mj(￡))移。十(E+△B，(f))口，+(K，+△K．．(￡))I口；df(3)J其中，M、B分别表示质量和阻尼系数，△M，△B表示相应的不确定项，下标，

7、咒、s、P分别表示主、从手和环境，口表示速度．厶是操作者对主手的作用力，工是从手与环境的相互作用力洲，，和氓～。是本文中的控制量．由于时延的存在，主手当前接收到的信号是从手丁时刻前的状态，而主手当前的控制信号，，时刻后才能作用于从手，即z‘d(￡)=z￡。(￡一71)(4)￡‘m(f)=“，(f一71)(5)其中丁为系统时延(假设前向和反向时延均为丁，且时不变)．从而主手对从手的作用效果2丁时刻后才能反馈到主