毕业设计文献阅读报告遥操作机器人的时延控制

毕业设计文献阅读汇报遥操作机器人的时延控制日期年月日113

一、毕业设计有关问题的研究背景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构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，对环境日勺感知信息则通过上述环节返回到主端操作者，使主端操作者有身临其境欧I感觉，从而有效完毕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，更高效合理地运用人力资源，实现多方协调作业等［1］伴随遥操作控制技术不停成熟，遥操作机器人系统越来越引起学术界和工业界注意由于其应用前景越来越广阔，已经成为当今机器人研究领域的一大热点在空间探索、海洋开发、远程作业这些人类难以抵达或未知环境中，遥操作系统的必要性不停增强；在高空、深海，核环境、生化环境等这些对人体健康有害的环境中，遥操作系统必不可少；在煤矿、建设、军事战场等恶劣环境中，遥操作系统有很好应用前景此外，为了实目前这些环境中的复杂作业，被运行的J操作任务包括复杂机械和环境的I交互作用，规定操作者具有广泛的经验和直接纯熟的知识这些技能在现阶段不轻易被做成模型因此对于非构造环境和动态时变环境中的复杂作业由于受到资金、技术水平和运作的不确定性等方面的限制［2］,尤其是工作在危险环境下日勺机器人，需要人类的不停介入，对遥控装置日勺作业进行适度的J理解、计划和控制基于以上原因，遥操作机器人大有用武之地

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1.遥操作机器人的发展概况遥机器人技术的发展历程总体上可分为两个阶段第一阶段是驱动方式的进步,从机械联动发展到电动伺服，基本形式是双向力反应主从操作，应用领域重要是核工业和太空探索；第二阶段是控制方式的进步，八十年代后来，计算机技术、控制理论、人工智能和通讯科学的飞速发展，引导了计算机辅助遥控的I出现，即第二代机器人遥操作技术90年代后来，机器人技术的研究出现了新的局面，这就是机器人与其他领域的交叉，尤其是机器人与计算机、通信和网络的交叉这种交叉时发生变化了机器人研究的局面，产生了基于Internet的机器人控制技术，这一技术的深入发展给遥操作机器人的研究注入崭新的活力国外遥操作机器人技术发展概况

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199.年，美.Wilke.大.M.R.Stein

[3]将一台用于画图.PUMA

76.机器人.Interne.连接机器人的末端配有四个绘画用时刷子，可以选择红、绿、蓝、黄四种颜色，远程操作者通过浏览器注册，下载一种小的J控制程序来控制机器人画图

199.年，Swis.Federa.技术学院.P.Saucy

[4]博士进行了基.Interne.日勺移动机器人控制的试验；同年，美.Carnegie-Mello.大.R.Simmons

[5]完毕了通.Interne的移动机器人Xavier导航试验，可以通.Interne.控制移动机器人在楼内各个房间运动，完毕传递文献的任务日本国家空间研究所NASDA成功地对人造卫星上的机器人进行了遥操作.年美国国家航空和宇宙航行局NASA的“勇气号”火星车成功登陆火星，并向地球传回了火星表面日勺照片.美.Coordinate.Scienc.试验室开发出了半自主人机协作多机器人登月探测遥操作系统，实现了地球和月球上操作者的双向遥操作，并能控制月球机器人在月球上建造人类生活环境、为太阳能光电板充电以及为运用当地能源控制多种机器人协作挖掘岩石…月，美国“奋进”号航天飞机将由加拿大航天局负责分工制造的Dextr.大型机器人运送到国际太空站并组装完毕Dextr.重约.156•公斤，身高

3.米，两臂平伸的长度2•米，其中每只手臂上有可以自由转动的七个关节，非常灵活这也是人类有史以来在太空安顿的I最大的机器人装置近年来，虚拟现实技术与空间机器人技术的有机结合越来越成为空间机器人研究关注日勺焦点虚拟现实VR是一种可以创立和体验虚拟世界欧I多传感融合与多媒体集成日勺计算机系统人们可以运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），借助多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时直接自然交互俄罗斯、法国和英国三个国家的研究人员合作完毕日勺遥操作试验，采用Java和Java3D技术建立了一种三维日勺虚拟环境,通过Web方式访问远程网络上的遥操作机器人系统，运用数据手套控制机器人运动.国内遥操作机器人技术发展概况我国非常重视机器人技术的研究1986年，国家八六三计划将智能机器人列入其中，开始了对遥机器人技术的研究通过三十年日勺艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平

二、到自主开发，在空间、海洋、远程教学等应用领域获得了阶段性成果清华大学开发的基于视觉临场感的机器人遥操作系统，既可通过人机交互协调控制实现对机器人的监控遥操作，又容许机器人基于传感器对高层控制规划进行修正［6］中科院沈阳自动化研究所研制了主从异构的监控遥操作系统［7］,哈尔滨工业大学开发了空间机器人共享系统［8］,北京航空航天大学开发了基于Internet时遥操作系统［9］,南开大学开发了基于互联网主从式遥操作平台［10］,上海交通大学开发了基于Web的机器人遥操作系统［11］,国防科技大学开发了基于VR技术的监控式大时延机器人系统［12］,华南理工大学开发了基于国际互联网的机器人实时跟踪系统［13］,东南大学开发了力觉临场感遥操作系统［14］这些成就阐明了我国在遥操作机器人领域获得的进展

三、国内有关虚拟现实（VR）的研究工作从90年代初开始我国八六三计划中，自动化领域智能机器人主题以及航天领域空间机器人专题于1996年开始将遥操作机器人技术列为关键技术加以研究，清华大学、东南大学、中科院合肥智能所、北航、哈工大、沈阳自动化研究所等已先后开展了基于VR的遥操作机器人技术日勺研究其中清华大学较早开展视觉临场感的研究北京航空航天大学计算机系和浙江大学CADCG国家重点试验室是国内最早进行VR实现算法研究欧I单位，他们重要针对虚拟环境中物体物理特性的建模与图形渲染日勺迅速生成等开展了某些应用基础研究沈阳自动化研究因此水下机器人的遥操作作业为应用背景，提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知信息辅助机器人遥操作系统，使用了CAD模型和立体视觉信息完毕遥操作机器人及其作业环境的I几何建模和运动学建模，实现了虚拟环境日勺生成和实时动态图形显示，并研制了一套主从异构式虚拟监控遥操作系统

四、遥操作机器人的时延控制最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上［15］,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［16］o于是在原有遥操作系统上，就逐渐增长了信号反馈，尤其是力反馈信号然而，这虽然提高了遥操作系统的操作性能，不过由于时延时存在，系统的稳定性受到了影响因此，在存在时延、扰动和误差等干扰的状况下，设计控制器除了要保证稳定性外，还要克服时延的影响为此，共享柔性操作、阻抗控制、监督控制和预测控制等控制方略相继被提出和应用然而，这还没有使对遥操作系统的控制到达满意效果尤其是近年来，Internet网络被引入遥操作系统充当主从子系统间日勺通信环节后，遥操作系统的控制又增长了新的困难由于Internet网络采用特殊的信号传递方式和机制，信号在传递过程中会碰届时延、丢失、乱序和同步等问题，并且这种时延是随机时变的，更也许未知［17］这就使遥操作系统的控制更为复杂因此，近年来对遥操作系统时延控制的研究成为热点问题下面简介几种流行的遥操作机器人时延控制措施

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1.基于电路理论的无源控制措施这种措施由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［18］通过度析发现，导致系统不稳定的原因在于通信时延导致了传播线的I有源性要处理系统的I稳定性问题，关键是要控制当地和远端日勺传播环节，使其具有无源传播线的性能基于二端口网络的I理论，学者们重要提出了散射理论和波变量理论散射理论使一套能保证系统在任何时延下稳定性的无源控制算法，由Anderson和Spong在1989年提出［19］Niemeyer和Slotine在1991年提出波变量日勺概念，运用能量流理论来处理传播线的有源性，从而保证系统在任何时延下的稳定性而提出日勺控制算法［20］这两种力量的I本质是同样的，有如下模型P fdN）=f*-T）-Vd（f+vN）L-⑺=%（”丁）一工⑺+篇（-T）

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2.基于事件的控制措施在遥操作系统中，假如时延很大或者不可预测，老式措施很难到达控制效果于是，有学者提出了基于事件的控制措施这种措施为系统寻找一种与时间无关的参量，即事件控制系统的规划和设计都是基于事件这个变量进行的1999年席宁研究员将他和谈自忠专家于1993年前后提出时用于多机器人协作的基于事件的规划与控制措施用于机器人遥操作［21］,获得了卓有成效的成果不过，伴随应用时不停拓广，规定机器人在动态变化的和非构造化的环境下完毕特定任务越来越多这种条件下，这种基于事件时遥操作已经不能满足需要因此，，他和王越超研究员等人又进行改善，提出运用谓词不变性的状态反馈并运用混杂Petri网来提高机器人的自主性和操作性能基于这种措施，机器人执行一种指令后，在下一条指令没有到来之前，会自己继续执行一种不违反系统任务的动作

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3.基于现代控制理论的措施对于遥操作系统，可以借助李雅谱诺夫稳定性理论，得到系统与时延有关或无关的控制Leung和Francis等人运用基于“无源距离”和“透明距离”的综合评价法设计遥操作系统的构造，并运用H8最优控制理论指导时延下遥操作系统中控制器的设计不过由于现代控制理论的I不完善以及系统实现上的J困难，它对处理机器人遥操作系统的通信时延问题目前仅停留在理论和措施的探讨上

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4.基于虚拟现实技术的措施基于电路网络理论的无源通信法则所实现的控制算法对处理短时延问题具有很好日勺效果，而在长时延日勺状况下,要实目前保证系统稳定期又同步具有良好的可操作性则显得无能为力；现代控制理论目前还不完善，其系统实现上也存在困难，基于现代控制理论所提出的多种控制算法亦未能很好地处理系统通信时延问题因此，许多研究者将注意力转向了虚拟现实技术将虚拟现实技术应用于机器人遥操作系统，可以克服通信时延以保证系统的稳定性并具有良好的操作性能虚拟现实（VR）是一种可以创立和体验虚拟世界的J多传感融合与多媒体集成的计算机系统人们可以运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），借助多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㈤

五、目前，虚拟现实技术在遥控机器人领域的应用重要表目前如下几种方面:a）用于地面遥控维修机器人领域,如在危险核电站替代维修员进行维修工作b）用于遥控水下机器人领域，在危险深海替代潜水员进行探险、维修等作业c）用于机器人遥控手术,在地球上的医生可以在离地球遥远的空间站进行手术d）用于空间站遥控机器人，在危险的宇宙替代宇航员进行舱外作业其中在遥控机器人领域，尤其需要虚拟现实技术.

六、基于虚拟现实时遥操作研究的重要目的在于提高仿真系统的逼真性和虚拟性它包括如下几种关键技术a）虚拟现实动态建模技术；b）处理通信容量和时延问题日勺技术；c）基于虚拟现实区I自主控制、遥控制和共享自主控制技术及系统集成技术；d人机交互界面

七、总结遥操作机器人是人类探索自然和改造自然的有力工具，它能替代人抵达人无法抵达的环境，处理人无法精确处理的J任务操作机器人时延控制系统及I研究是一种非常有挑战性的课题，具有重要的研究价值和广泛的应用前景因而，近年来这方面的研究十分活跃，将遥操作技术的发展提高了一种新的高度伴随研究的深入，遥操作机器人系统必将为人类带来更多的便利李华忠，梁永生，洪炳熔.基于虚拟现实的无时延感空间机器人遥控操作研究计算机应

[22]I[J].用研究，,

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