李國棟++紀磊++劉向杰

摘 要：將Internet作為系統(tǒng)的通信通道以后，遙操作機器人系統(tǒng)的研究實現(xiàn)了非常大的發(fā)展。但是遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性問題至今仍沒有得到較好的解決。該研究設計了一種最大程度上模擬Internet真實狀況的網絡仿真模型。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，通過實驗得到驗證。

關鍵字：遙操作機器人 無源理論 時延 透明性

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0010-03

現(xiàn)今，Internet作為遙操作機器人系統(tǒng)的通訊通道已經很普遍了。這是因為相比起專用傳輸網絡，Internet鋪設更加方便，成本更加便宜。然而，Internet中存在可變時延以及數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象會造成主從端通信障礙，導致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定[1]。因此，這兩個問題亟待解決。

針對網絡遙操作機器人系統(tǒng)的傳輸時延問題，許多學者已經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。然而與時間無關的合適變量很難找到。Akihito Sano[3]利用控制理論實現(xiàn)了系統(tǒng)在面對較大的通訊時延狀況下的穩(wěn)定性。但是這種方法不適用于存在可變時延和丟包的系統(tǒng)中。

和其他控制方法相比，無源控制方法可以應用于線性，非線性以及連續(xù)，離散遙操作系統(tǒng)中，應用范圍廣泛并在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大的優(yōu)勢[4]。為了使描述更加清晰，該研究討論單自由度線性系統(tǒng)?；诒疚脑O計的網絡模型，提出濾波器加控制器的方法來提高遙操作機器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性。除此之外，該研究的結論也可以延伸至n自由度非線性系統(tǒng)中，這是因為簡單的質量塊-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)的線性動態(tài)力學模型[5]。

第二部分中該研究提出了遙操作系統(tǒng)主從端的動力學模型、網絡模型以及透明性量化方法。第三部分通過實驗得到仿真的結果，最后第四部分是結論。

1 遙操作系統(tǒng)模型

遙操作機器人系統(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；vm指的是主端速度信號；vd代表電機速度信號；fm，fdm，fds和fe分別指的是操作者力信號，電機力信號，從端力信號和環(huán)境力信號。

1.1 遙操作系統(tǒng)主從端動態(tài)模型

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

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；Me，Mm和Ms分別代表相應的慣性系數(shù)；Ke是剛性增益；Fdm是電機力信號；Fds是從端力信號；Fh是操作者力信號；Fe是環(huán)境接觸力信號。

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濾波器。

根據(jù)雙邊力反饋控制系統(tǒng)，該研究設計相應的控制器如下：

（4）

（5）

控制器信號和分別是主從端控制信號。它們可以保證主從端的力和速度信號相互跟蹤準確。

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

為了便于對遙操作系統(tǒng)的仿真，該研究利用電路元器件來仿真系統(tǒng)各部分。首先定義電壓信號為相應的力信號，電流信號為速度信號。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)的網絡模型

基于Internet的遙操作系統(tǒng)的時延主要有傳輸時延Tc，執(zhí)行時延Tp，擾動時延Tv。為了盡可能方便且使仿真最大化接近真實網絡時延，該研究忽略執(zhí)行時延Tp和擾動時延Tv，因為它非常小。

該研究利用相位改變方法模擬傳輸時延中的固定時延，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的相位角。電路中相位角的改變相應地在遙操作系統(tǒng)中就是固定時延大小的變化。該研究利用支路選擇法模擬傳輸時延中的可變時延，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延。在每條通道上有一個隨機數(shù)發(fā)生器，一個RLC串聯(lián)電路和一個二極管。隨機數(shù)發(fā)生器可以產生一系列隨機數(shù)來控制二極管的通斷從而改變每條支路上時延的大小。

對于網絡丟包，經過多次嘗試后，該研究選擇使用晶閘管和隨機數(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地切斷，閉合傳輸網從而模擬數(shù)據(jù)的丟包。換句話說，當晶閘管切斷電路時，傳輸網就會斷掉而此刻主從端間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就會丟失，當晶閘管閉合電路時，數(shù)據(jù)傳輸又會正常。

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，在無時延情況下的多種控制策略的透明性已經能夠進行定量分析。該研究根據(jù)所設計的電路仿真采用另一種相對簡單的透明性定量分析的方法。

在該系統(tǒng)中力信號等效為電壓信號，速度信號等效為電流信號，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。對透明性定量表示為：

（7）

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

2 實驗及結果

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

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

第二是透明性問題。透明性指的是系統(tǒng)一端信號跟蹤另一端信號的準確度。不完全透明性會導致操作者的感受和系統(tǒng)從端機械手受到的實際情況不同進而造成系統(tǒng)的不可控。在該研究實驗中，該研究通過測量幾個不同的力信號跟蹤情況來測試系統(tǒng)的透明性。

考慮到傳輸網的可變時延，傳輸環(huán)節(jié)公式為

（10）

式中，是可變時延并且它們的時延上限小于200ms。實驗結果在圖2中顯示。

圖2（a）可以看出主端力信號Fh完全跟蹤從端力信號Fdm。系統(tǒng)的輸入力信號為正弦信號并且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Vm，Vs的跟蹤也是具有較高的保真度并且網絡時延對于信號的影響也較明顯的減小。

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

通過計算公式（7），系統(tǒng)透明性量化值為。

3 結語

該研究設計了一種獨特的基于電氣元器件的遙操作網絡模型，最大程度地模擬了真實網絡狀況，并在此基礎上仿真了遙操作系統(tǒng)的運行。

針對基于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時延對系統(tǒng)的影響。仿真中通過主從端力和速度信號的跟蹤情況以及透明性量化值ρ也證明了這一點。

參考文獻

[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.