李國棟++紀(jì)磊++劉向杰

摘 要：將Internet作為系統(tǒng)的通信通道以后，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究實(shí)現(xiàn)了非常大的發(fā)展。但是遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性問題至今仍沒有得到較好的解決。該研究設(shè)計(jì)了一種最大程度上模擬Internet真實(shí)狀況的網(wǎng)絡(luò)仿真模型。除此之外，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出帶有濾波器和主從端控制器的無源控制方法。最后，通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。

關(guān)鍵字：遙操作機(jī)器人 無源理論 時(shí)延 透明性

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）08（c）-0010-03

現(xiàn)今，Internet作為遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的通訊通道已經(jīng)很普遍了。這是因?yàn)橄啾绕饘Ｓ脗鬏斁W(wǎng)絡(luò)，Internet鋪設(shè)更加方便，成本更加便宜。然而，Internet中存在可變時(shí)延以及數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象會(huì)造成主從端通信障礙，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定[1]。因此，這兩個(gè)問題亟待解決。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的傳輸時(shí)延問題，許多學(xué)者已經(jīng)提出了很多控制方法。Ning Xi[2]等人提出基于事件的控制方法來解決遙操作系統(tǒng)中存在的這些問題。然而與時(shí)間無關(guān)的合適變量很難找到。Akihito Sano[3]利用控制理論實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)在面對(duì)較大的通訊時(shí)延狀況下的穩(wěn)定性。但是這種方法不適用于存在可變時(shí)延和丟包的系統(tǒng)中。

和其他控制方法相比，無源控制方法可以應(yīng)用于線性，非線性以及連續(xù)，離散遙操作系統(tǒng)中，應(yīng)用范圍廣泛并在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大的優(yōu)勢(shì)[4]。為了使描述更加清晰，該研究討論單自由度線性系統(tǒng)。基于本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)模型，提出濾波器加控制器的方法來提高遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性。除此之外，該研究的結(jié)論也可以延伸至n自由度非線性系統(tǒng)中，這是因?yàn)楹?jiǎn)單的質(zhì)量塊-彈簧-阻尼遙操作模型是唯一的一種可以移植到非線性系統(tǒng)的線性動(dòng)態(tài)力學(xué)模型[5]。

第二部分中該研究提出了遙操作系統(tǒng)主從端的動(dòng)力學(xué)模型、網(wǎng)絡(luò)模型以及透明性量化方法。第三部分通過實(shí)驗(yàn)得到仿真的結(jié)果，最后第四部分是結(jié)論。

1 遙操作系統(tǒng)模型

遙操作機(jī)器人系統(tǒng)包含五部分：操作者，主端，通訊環(huán)節(jié)，從端和工作環(huán)境。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。圖中，vh指的是操作者的速度信號(hào)；vm指的是主端速度信號(hào)；vd代表電機(jī)速度信號(hào)；fm，fdm，fds和fe分別指的是操作者力信號(hào)，電機(jī)力信號(hào)，從端力信號(hào)和環(huán)境力信號(hào)。

1.1 遙操作系統(tǒng)主從端動(dòng)態(tài)模型

該研究的受控對(duì)象是單自由度線性時(shí)不變機(jī)器人，對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性造成最大影響的因素是可變時(shí)延以及擾動(dòng)時(shí)延所帶來的數(shù)據(jù)丟包。下面是該研究的主從端動(dòng)力學(xué)模型：

主端： （1）

從端： （2）

環(huán)境： （3）

式中Be，Bm和Bs1分別代表環(huán)境，主端和從端的速度阻尼；vm和vs分別是主端和從端的速度信號(hào)；Me，Mm和Ms分別代表相應(yīng)的慣性系數(shù)；Ke是剛性增益；Fdm是電機(jī)力信號(hào)；Fds是從端力信號(hào)；Fh是操作者力信號(hào)；Fe是環(huán)境接觸力信號(hào)。

為了提高遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性，該研究引入了主從端的控制器，除此之外，該研究在主端又引入了一個(gè)濾波器。

根據(jù)雙邊力反饋控制系統(tǒng)，該研究設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器如下：

（4）

（5）

控制器信號(hào)和分別是主從端控制信號(hào)。它們可以保證主從端的力和速度信號(hào)相互跟蹤準(zhǔn)確。

此外，考慮到系統(tǒng)中存在較高頻率的可變時(shí)延，該研究引入濾波器通過濾除高頻的時(shí)延從而減小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和丟包對(duì)系統(tǒng)的影響。

為了便于對(duì)遙操作系統(tǒng)的仿真，該研究利用電路元器件來仿真系統(tǒng)各部分。首先定義電壓信號(hào)為相應(yīng)的力信號(hào)，電流信號(hào)為速度信號(hào)。在電路中，電感定義為，所以電感可以代表慣性參數(shù)M。同樣，速度阻尼B可用通過電阻來替換，剛性增益K可以由電容來代表。

1.2 遙操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型

基于Internet的遙操作系統(tǒng)的時(shí)延主要有傳輸時(shí)延Tc，執(zhí)行時(shí)延Tp，擾動(dòng)時(shí)延Tv。為了盡可能方便且使仿真最大化接近真實(shí)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，該研究忽略執(zhí)行時(shí)延Tp和擾動(dòng)時(shí)延Tv，因?yàn)樗浅Ｐ　?/p>

該研究利用相位改變方法模擬傳輸時(shí)延中的固定時(shí)延，這種方法是通過改變前向通道和反向通道的電容和電感大小來改變傳輸網(wǎng)的相位角。電路中相位角的改變相應(yīng)地在遙操作系統(tǒng)中就是固定時(shí)延大小的變化。該研究利用支路選擇法模擬傳輸時(shí)延中的可變時(shí)延，這種方法在前向和反向通道上建立不同的相位角，不同的通道有不同的時(shí)延。在每條通道上有一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，一個(gè)RLC串聯(lián)電路和一個(gè)二極管。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生一系列隨機(jī)數(shù)來控制二極管的通斷從而改變每條支路上時(shí)延的大小。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)丟包，經(jīng)過多次嘗試后，該研究選擇使用晶閘管和隨機(jī)數(shù)發(fā)生器也叫做丟包發(fā)生器來模擬。丟包是由于系統(tǒng)中的擾動(dòng)誤差造成的，例如數(shù)據(jù)序列混亂和數(shù)據(jù)丟失。而丟包發(fā)生器的工作原理是隨機(jī)地切斷，閉合傳輸網(wǎng)從而模擬數(shù)據(jù)的丟包。換句話說，當(dāng)晶閘管切斷電路時(shí)，傳輸網(wǎng)就會(huì)斷掉而此刻主從端間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會(huì)丟失，當(dāng)晶閘管閉合電路時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸又會(huì)正常。

1.3 透明性量化分析方法

2001年，Yokokohji等人[6]提出了透明指數(shù)的概念，在無時(shí)延情況下的多種控制策略的透明性已經(jīng)能夠進(jìn)行定量分析。該研究根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路仿真采用另一種相對(duì)簡(jiǎn)單的透明性定量分析的方法。

在該系統(tǒng)中力信號(hào)等效為電壓信號(hào)，速度信號(hào)等效為電流信號(hào)，因此

（6）

式中，Ze和Zh是電阻，他們分別被稱為從端環(huán)境阻抗和操作端阻抗。對(duì)透明性定量表示為：

（7）

式中，ρ代表系統(tǒng)的透明度。時(shí)，系統(tǒng)的透明性非常好；時(shí)系統(tǒng)透明性很差；當(dāng)時(shí)系統(tǒng)完全透明。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

仿真環(huán)節(jié)加入了可變時(shí)延和丟包并設(shè)定控制器信號(hào)傳輸頻率為50 Hz，系統(tǒng)時(shí)延小于200 ms。

為了得到更有效的數(shù)據(jù)，該研究解決兩個(gè)問題。第一是跟蹤問題。理想情況下，系統(tǒng)的主端力信號(hào)應(yīng)當(dāng)跟蹤從端力信號(hào)并且從端速度信號(hào)應(yīng)當(dāng)跟蹤主端速度信號(hào)。如果存在可變時(shí)延的影響，那么一端就不能跟蹤另一端信號(hào)，系統(tǒng)就會(huì)不穩(wěn)定。

第二是透明性問題。透明性指的是系統(tǒng)一端信號(hào)跟蹤另一端信號(hào)的準(zhǔn)確度。不完全透明性會(huì)導(dǎo)致操作者的感受和系統(tǒng)從端機(jī)械手受到的實(shí)際情況不同進(jìn)而造成系統(tǒng)的不可控。在該研究實(shí)驗(yàn)中，該研究通過測(cè)量幾個(gè)不同的力信號(hào)跟蹤情況來測(cè)試系統(tǒng)的透明性。

考慮到傳輸網(wǎng)的可變時(shí)延，傳輸環(huán)節(jié)公式為

（10）

式中，是可變時(shí)延并且它們的時(shí)延上限小于200ms。實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖2中顯示。

圖2（a）可以看出主端力信號(hào)Fh完全跟蹤從端力信號(hào)Fdm。系統(tǒng)的輸入力信號(hào)為正弦信號(hào)并且Fdm并沒有較大的失真。因此，遙操作系統(tǒng)的仿真是穩(wěn)定的。

圖2（b）可以看出主從端速度信號(hào)Vm，Vs的跟蹤也是具有較高的保真度并且網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)于信號(hào)的影響也較明顯的減小。

圖2（c）可以看出Fe與Fds信號(hào)幾乎相同，這說明系統(tǒng)的透明性較高。

通過計(jì)算公式（7），系統(tǒng)透明性量化值為。

3 結(jié)語

該研究設(shè)計(jì)了一種獨(dú)特的基于電氣元器件的遙操作網(wǎng)絡(luò)模型，最大程度地模擬了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)狀況，并在此基礎(chǔ)上仿真了遙操作系統(tǒng)的運(yùn)行。

針對(duì)基于Internet的遙操作系統(tǒng)，該研究引入了濾波器以及主該研究本文可以得出濾波器和主從端控制器明顯減小了Internet時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響。仿真中通過主從端力和速度信號(hào)的跟蹤情況以及透明性量化值ρ也證明了這一點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] TB Sheridan. Space teleoperation through time delay： Review and prognosis [J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，1993，9（5）：592-606.

[2] Ning Xi， Tarn TJ. Action Synchronization and Control of Internet Based Telerobotic Systems [C].Robotics and Automation，1999 IEEE International Conference，1999：219-224.

[3] Sano Akihito， Fujimot Hideo， Tanaka Masayuki. Gain-Scheduled Compensationfor Time Delay of Bilateral Teleoperation Systems [C].in IEEE International Conference on Robotics & Automation，1998（3）：1916-1923.

[4] Ali Jazayeri， Matthew Dyck， Mahdi Tavakoli. Stability Analysis of Teleoperation Systems under Strictly Passive and Non-passive Operator[C].in IEEE World Haptics Conference，2013：695-700.

[5] Zhu WH， Xi YG， Zhang ZJ， et al. Virtual decomposition-based control for generalized high-dimensional robotic systems with complicated structure[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，1997，13（3）：411-436.

[6] Yokokohji Y， Yoshikawa T. Maneuverability of Master-Slave Telemanipulation Systems [J].Transactios of the Society，1990（1）：107-115.