時延力反饋遙操作系統(tǒng)的跟蹤性能及穩(wěn)定性研究.pdf

1、遙操作系統(tǒng)利用通信網(wǎng)絡(luò)將主從設(shè)備連接起來，當(dāng)操作者操縱主端設(shè)備進(jìn)行某一個動作時，相應(yīng)的控制信號通過通信通道傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離端，指揮從端設(shè)備完成相應(yīng)的操作。遙操作系統(tǒng)可以將人手延伸到人很難到達(dá)或是對人有害的環(huán)境中去執(zhí)行任務(wù)，因此遙操作技術(shù)在工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療、國防、救援和空間技術(shù)等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　 在遙操作實際應(yīng)用過程中，還有許多問題需要解決。如遙操作系統(tǒng)中通信時延是固有的，它會導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。衡量遙操作系統(tǒng)性能的技

2、術(shù)指標(biāo)主要是系統(tǒng)穩(wěn)定性、跟蹤性和透明性，但在提高這些性能指標(biāo)的研究過程中存在著相互矛盾和沖突。時延和力反饋是影響這些性能指標(biāo)的主要因素。本文針對有任意固定時延和力反饋的主從機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)進(jìn)行研究，主要研究在不降低遙操作系統(tǒng)透明性前提下，如何改善主從機(jī)械臂跟蹤性能并提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 波變量通信能解決主從機(jī)械臂之間的數(shù)據(jù)通信時延導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文根據(jù)建立了單自由度波變量遙操作系統(tǒng)的Simulink仿真模型。通過仿真實驗

3、對不同波阻抗條件下的波變量遙操作系統(tǒng)進(jìn)行了比較，得出了波阻抗與系統(tǒng)性能的關(guān)系，并指出在實際波變量遙操作應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)實際期望的系統(tǒng)阻尼特性來適當(dāng)?shù)剡x擇波阻抗。
　　 為了更詳盡地分析遙操作系統(tǒng)中主從機(jī)械臂的運(yùn)動狀態(tài)，本文分析了多自由度機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，并將常用的單自由度波變量通信擴(kuò)展成多自由度波向量通信，從而得到多自由度波向量遙操作系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，本文建立了二自由度波向量遙操作系統(tǒng)的Simulink仿真模型。通過仿

4、真實驗，文章分析了力反饋增益和人手施加在主機(jī)械臂上的力對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。當(dāng)力反饋增益增大時，系統(tǒng)的透明性提高，但穩(wěn)定性將變差。當(dāng)人手用力握住主機(jī)械臂操作時，能在一定程度上提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于人手容易疲勞，而且當(dāng)人費(fèi)力操作時，很難完成一些靈巧的動作。因此，有必要為波變量遙操作系統(tǒng)設(shè)計相應(yīng)的力反饋算法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　 波變量通信能夠保證任意時延下，遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但波變量轉(zhuǎn)換也會引起從機(jī)械臂的速度命令信號偏離主機(jī)

5、械臂的速度，從而造成從機(jī)械臂的實際速度偏離主機(jī)械臂的速度，而且隨著時延的增大，相應(yīng)的速度偏離也將增大。本文分析了該速度偏離產(chǎn)生的原因，并在從端設(shè)計了跟蹤補(bǔ)償控制器來補(bǔ)償從機(jī)械臂速度對主機(jī)械臂速度的偏離，從而實現(xiàn)了從機(jī)械臂速度很好地跟蹤主機(jī)械臂速度。該控制器所需要的數(shù)據(jù)全部來源于從端，避免了主從端額外的數(shù)據(jù)傳遞。同時，本文應(yīng)用無源理論對該跟蹤補(bǔ)償控制器進(jìn)行無源性分析。通過分析得出，只要合適地選擇波過濾器，帶跟蹤補(bǔ)償控制器的遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定

6、性就可以得到保證。仿真實驗和大量的實際實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的速度跟蹤補(bǔ)償控制器實際可行，并且在不降低遙操作系統(tǒng)透明性的前提下，明顯地改善了從機(jī)械臂對主機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡跟蹤。
　　 波變量的引入雖然解決了通信時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，但滯后的力反饋仍然會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文分析了滯后的力反饋使主機(jī)械臂產(chǎn)生意外運(yùn)動，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因，并針對這種不穩(wěn)定性，在主端設(shè)計了一種實際可行的力反饋控制算法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該力反饋算法根據(jù)