多邊觸覺遙操作系統(tǒng)絕對穩(wěn)定性研究.pdf

1、多邊遙操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于協(xié)作遙操作和觸覺輔助訓(xùn)練等場所。對于許多任務(wù),通過兩個手或多個操作者合作操作,比一個操作者單手獨(dú)立操作能獲得更好的性能。通過采用多用戶接口(主機(jī)器人)和一個或多個遠(yuǎn)程機(jī)器人(從機(jī)器人)的多邊遙操作系統(tǒng),可以讓多個操作者之間觸覺信息共享,在遠(yuǎn)程環(huán)境中協(xié)作執(zhí)行任務(wù)。盡管多邊觸覺遙操作系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn),但是其研究仍處于起步階段。事實(shí)上,多邊觸覺遙操作系統(tǒng)中,已進(jìn)行深入研究的僅有基于單個主機(jī)器人遙操作單個從機(jī)器人的雙邊觸

2、覺遙操作系統(tǒng)。
　　一個雙邊觸覺遙操作系統(tǒng)由一個操作者,一個遙操作器和環(huán)境組成。遙操作器包括主機(jī)器人、從機(jī)器人、控制器和主從機(jī)器人之間的通信通道。由于遙操作器的終端,即操作者和環(huán)境的模型是未知的和/或時變的,一般很難獲取他們的準(zhǔn)確模型。因此,對于雙邊遙操作系統(tǒng),為確保耦合的遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性,通常采用絕對穩(wěn)定性或無源性定理來分析,因?yàn)樗麄儍H需遙操作器的終端是無源的。
　　類似于雙邊遙操作系統(tǒng),多邊觸覺遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性非常重要

3、。研究多邊觸覺遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性,必須考慮作為閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)的操作者和環(huán)境的影響。然而,操作者和環(huán)境的模型不確定性給閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析增加了很大的難度。本論文研究了多邊觸覺遙操作系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性,包括以下四個部分工作:
　　(1)擴(kuò)展Llewellyn's絕對穩(wěn)定性定理,提出了封閉形式三端網(wǎng)絡(luò)絕對穩(wěn)定性定理。通常,雙邊遙操作系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性采用兩端網(wǎng)絡(luò)的絕對穩(wěn)定性定理(Llewellyn's絕對穩(wěn)定性定理)來分析。將該絕對穩(wěn)定性定

4、理推廣應(yīng)用于三端網(wǎng)絡(luò),需要已知網(wǎng)絡(luò)第三個端口的終端數(shù)學(xué)模型,然后將三端網(wǎng)絡(luò)降為等價兩端網(wǎng)絡(luò)后分析絕對穩(wěn)定性,從而使得該方法具有很強(qiáng)的約束性。因此,需要探索一種三端網(wǎng)絡(luò)絕對穩(wěn)定性分析方法,無需知道終端的數(shù)學(xué)模型,而只要其滿足無源性即可。本論文針對三邊觸覺遙操作系統(tǒng)絕對穩(wěn)定性,將其模型化為一個三端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來分析,通過擴(kuò)展Llewellyn's絕對穩(wěn)定性定理,提出了一類三端網(wǎng)絡(luò)的絕對穩(wěn)定性定理。詳細(xì)內(nèi)容見第二章。
　　(2)對于遙操作系

5、統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法,除絕對穩(wěn)定性外,無源性也是一種應(yīng)用廣泛的分析方法。通過對比分析雙邊遙操作系統(tǒng)絕對穩(wěn)定性定理和無源性定理,發(fā)現(xiàn)絕對穩(wěn)定性定理更加開放。對于三邊遙操作系統(tǒng),本文首先擴(kuò)展Raisbeck's無源性定理,提出了任意無源終端條件下三端網(wǎng)絡(luò)無源性定理,并對比研究了三端網(wǎng)絡(luò)的無源性定理和絕對穩(wěn)定性定理。通過定理對比,實(shí)例分析,仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,證明了三邊遙操作系統(tǒng)無源性定理是一個更加保守的定理。詳細(xì)內(nèi)容見第三章。
　　(3)針對

6、傳統(tǒng)的單自由度絕對穩(wěn)定性分析方法無法用于分析多自由度系統(tǒng)絕對穩(wěn)定性的問題,研究了適用于m自由度n邊觸覺遙操作系統(tǒng)的絕對穩(wěn)定性定理。論文首先通過兩個例子,提出進(jìn)行m自由度n邊觸覺遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方法研究的必要性。隨后,類似于第(1)點(diǎn)描述的絕對穩(wěn)定性分析方法,將m自由度n邊觸覺遙操作系統(tǒng)建模為一個m?n端網(wǎng)絡(luò),且每個端口連接一個m輸入m輸出的終端,進(jìn)行絕對穩(wěn)定性分析方法研究,提出了適用于所有m?1和n?2的m自由度n邊觸覺遙操作系統(tǒng)的

7、絕對穩(wěn)定性定理。詳細(xì)內(nèi)容見第四章。
　　(4)對于復(fù)雜靈巧的多自由度遙操作任務(wù),一般采用兩個具有相同自由度的觸覺機(jī)器人搭建的遙操作系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù),這對操作者要求很高,而且任務(wù)精度無法保障,因此需要探索一種新結(jié)構(gòu)的遙操作系統(tǒng)并研究其穩(wěn)定性。本文首先設(shè)計(jì)了多操作者操縱多個主機(jī)器人分別遙操作控制多自由度單從機(jī)器人的不同自由度的遙操作系統(tǒng),隨后,對該多主機(jī)器人/單從機(jī)器人w自由度協(xié)作觸覺遙操作系統(tǒng),將其建模為一個兩端網(wǎng)絡(luò),且每個端口連接到一