畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告(遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制)(共7頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告 遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制 日期：2012年 1月 13日1、 課題研究背景1.1、遙操作機(jī)器人系統(tǒng)概述遙操作機(jī)器人系統(tǒng)由操作者、主端機(jī)器人子系統(tǒng)、通信環(huán)節(jié)、從端機(jī)器人子系統(tǒng)和工作環(huán)境組成。操作者指令通過(guò)主端機(jī)器人、通信環(huán)節(jié)和從端機(jī)器人作用于環(huán)境，對(duì)環(huán)境的感知信息則經(jīng)過(guò)上述環(huán)節(jié)返回到主端操作者，使主端操作者有身臨其境的感覺(jué)，從而有效完成操作任務(wù)。遙操作系統(tǒng)能將人所在的主端的命令和行為傳到并作用在遠(yuǎn)端，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的期望的操作和控制，從而極大地提高操作者的安全性和工作效率，節(jié)儉成本，更高效合理地利用人力資源，實(shí)現(xiàn)多方協(xié)調(diào)作業(yè)等1。最早的遙操作系統(tǒng)用于地面

2、平臺(tái)對(duì)太空設(shè)備的控制上2,由于電磁波傳播速度及信號(hào)收發(fā)處理方面等的局限性，遙操作系統(tǒng)往往存在比較大的時(shí)延。這些時(shí)延會(huì)給系統(tǒng)的知覺(jué)感受和操作性能帶來(lái)極大影響3，于是在原有遙操作系統(tǒng)上，就逐步增加了力反饋信號(hào)。然而，這雖然提高了遙操作系統(tǒng)的操作性能，但是由于時(shí)延的存在，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了影響。因此，控制器的設(shè)計(jì)除了要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性外，還要克服時(shí)延的影響。1.2、遙操作機(jī)器人的研究意義遙操作不同于遙控，它在人控制遠(yuǎn)方機(jī)器人的同時(shí)，又必須得到機(jī)器人在“知覺(jué)”上的反饋。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在“知覺(jué)”上反饋的辦法，就是使用臨場(chǎng)感技術(shù)。臨場(chǎng)感技術(shù)是以人為中心，通過(guò)各種傳感器將遠(yuǎn)地機(jī)器人與環(huán)境的交互信息（包括視覺(jué)、力

3、覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)覺(jué)等）實(shí)時(shí)地反饋到本地操作者（人）處，生成和遠(yuǎn)地環(huán)境一致的虛擬環(huán)境，使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人帶感覺(jué)的控制，完成作業(yè)任務(wù)4。事實(shí)上，在應(yīng)用了臨場(chǎng)感技術(shù)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中，對(duì)于操作者來(lái)說(shuō)，意味著他將“沉浸”在遠(yuǎn)地環(huán)境中。這樣，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)就可以代替人類(lèi)完成遠(yuǎn)程環(huán)境和危險(xiǎn)環(huán)境下的任務(wù)，保護(hù)人類(lèi)的安全。在空間探索中，它可以完成衛(wèi)星修理，空間站維護(hù)，月球、火星等行星的勘探等任務(wù)；在海洋開(kāi)發(fā)中，它可以完成海洋資源調(diào)查，深海打撈，水下電纜修理，海洋鉆井平臺(tái)維護(hù)，海底考古等任務(wù)；在軍事領(lǐng)域，它可以完成戰(zhàn)場(chǎng)調(diào)查、防化、掃雷、救護(hù)等任務(wù)；在民用領(lǐng)域，它可以完成核電站維

4、修、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程科學(xué)實(shí)驗(yàn)等任務(wù)。總之，遙操作機(jī)器人的應(yīng)用使人擺脫了傳統(tǒng)操作者的角色，由直接操作變成了遙操作。2、 國(guó)內(nèi)外研究狀況2.1、遙操作機(jī)器人發(fā)展歷程上個(gè)世紀(jì)四十年代，F(xiàn)ermi領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)在 Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行核試驗(yàn)，由于核材料放射性強(qiáng)，對(duì)人體危害大，為解決核廢料的處理問(wèn)題。1948 年，世界第一個(gè)遙操作系統(tǒng)由 Goertz 在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制成功。1954 年，Goertz 設(shè)計(jì)了第一臺(tái)電子程序可編的工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)帶伺服反饋的機(jī)電遙操作系統(tǒng)5，由操作者對(duì)車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，操作性能得到很大改善。后來(lái)從動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)角度設(shè)計(jì)的雙向控制方法的引入，使得設(shè)計(jì)適合于人手

5、使用的操縱桿成為現(xiàn)實(shí)，大大減輕了操作者的負(fù)擔(dān)。20 世紀(jì) 80 年代對(duì)智能機(jī)器人的研究表明，由于機(jī)構(gòu)、控制、人工智能和傳感技術(shù)水平的限制，在短時(shí)間內(nèi)尚難研制出能在未知或復(fù)雜環(huán)境下工作的全自主式智能機(jī)器人。90 年代以來(lái)，Internet 得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)聯(lián)系超過(guò) 160 個(gè)國(guó)家和地區(qū)，4萬(wàn)多個(gè)子網(wǎng)、500多萬(wàn)臺(tái)電腦主機(jī)，直接的用戶(hù)超過(guò) 4000 萬(wàn)，成為世界上信息資源最豐富的電腦公共網(wǎng)。將Internt技術(shù)被引入遙操作機(jī)器人領(lǐng)域，將其作為遙操作系統(tǒng)的通訊環(huán)節(jié)，由于 Internet 引入系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生變化的隨機(jī)的時(shí)延會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性。因此，由 Internet引起的變化的、隨機(jī)的時(shí)

6、延問(wèn)題成為學(xué)者研究基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作機(jī)器人必須攻克的一個(gè)難題6。2.2、時(shí)延控制方法的研究現(xiàn)狀早在1966年就有學(xué)者討論了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中的通信時(shí)延問(wèn)題，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有考慮力反饋，所以存在不穩(wěn)定的問(wèn)題7。隨后又有人提出“移動(dòng)等待”的策略來(lái)解決不穩(wěn)定問(wèn)題。但是這種方法降低了系統(tǒng)工作帶寬，這不僅使力反饋信息模糊，而且給操作者帶來(lái)極大負(fù)擔(dān)，操作者容易疲勞。隨著空間技術(shù)和海洋技術(shù)的發(fā)展，通信時(shí)延對(duì)具有遙操作機(jī)器人的影響越發(fā)受到重視8。許多國(guó)家的學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探索，目前主要形成了以下幾種方法：2.2.1、基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無(wú)源控制法：這種方法由Raju在1989年首先提出。他將遙操作系統(tǒng)與電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)

7、行類(lèi)比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng)9。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的原因在于通信時(shí)延造成了傳輸線(xiàn)的有源性。要解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，關(guān)鍵是要使傳輸線(xiàn)具有無(wú)源性。2.2.2、基于現(xiàn)代控制理論的控制算法加拿大多倫多大學(xué)的Strassberg和Goldembeng等人則利用現(xiàn)代控制理論中的李雅普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)分析遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性10。Lawrence提出了“無(wú)緣距離”和“透明距離”的概念。Leung和Francis等人利用這些概念的綜合評(píng)價(jià)法設(shè)計(jì)遙操作系統(tǒng)11。2.2.3、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的控制結(jié)構(gòu)和控制算法基于電路的理論，在長(zhǎng)時(shí)延的情況下，不能在保證穩(wěn)定性的同時(shí)又具有很好的操作性。而現(xiàn)代控制理

8、論又不甚完善，這使基于現(xiàn)代控制理論的方法又很多問(wèn)題不能解決。因此，許多研究者將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于遙操作機(jī)器人系統(tǒng)。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的多傳感融合與多媒體集成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。人們可以利用該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成某種虛擬環(huán)境(如宇宙空間、水下等作業(yè)環(huán)境), 借助各種傳感設(shè)備使操作者“投入”到該環(huán)境中, 實(shí)現(xiàn)操作者與該環(huán)境的直接自然交互12。這種克服時(shí)延的方法，不但解決了穩(wěn)定性，而且使系統(tǒng)具有很好的操作性。2.2.4、基于事件的控制算法在遙操作系統(tǒng)中，如果延時(shí)過(guò)大或者是隨機(jī)的或不可預(yù)測(cè)，如網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)，傳統(tǒng)方法很難達(dá)到效果，這時(shí)學(xué)者們引入了基于事件的控制算法13。這種理論的基本點(diǎn)在于引入一

9、個(gè)不同于時(shí)間的新的運(yùn)動(dòng)參變量，該變量隨控制過(guò)程的進(jìn)行而更新，實(shí)時(shí)的傳感信息是這種更新的依據(jù)。系統(tǒng)的理想輸出是此參梁的函數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)規(guī)劃器實(shí)時(shí)修正系統(tǒng)的目標(biāo)輸出值，使得系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過(guò)程成為實(shí)時(shí)過(guò)程，具有自適應(yīng)的特性，并有利于得到優(yōu)良的控制效果14?；谑录姆椒ㄓ捎诓捎昧朔菚r(shí)間基的時(shí)鐘來(lái)推動(dòng)整個(gè)的運(yùn)動(dòng)，從而巧妙地繞開(kāi)了信息傳輸?shù)牟淮_定時(shí)延并保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。三、研究?jī)?nèi)容3.1、課題研究目的本課題將研究遙操作機(jī)器人時(shí)延控制的特點(diǎn)，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和方案；并以此為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種遙操作機(jī)器人時(shí)延控制算法，運(yùn)用仿真軟件搭建系統(tǒng)模型，進(jìn)行系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。3.2、遙操作機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 遙操

10、作機(jī)器人系統(tǒng)由操作者、主端機(jī)器人子系統(tǒng)、通信環(huán)節(jié)、從端機(jī)器人子系統(tǒng)和工作環(huán)境組成。它的系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示：圖1：遙操作機(jī)器人系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.3、遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的模型遙操作機(jī)器人的系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型如下：（1） 主端機(jī)器人子系統(tǒng)模型：（2） 從端機(jī)器人子系統(tǒng)模型：（3） 環(huán)境：3.4、基于二端口網(wǎng)絡(luò)的控制方案將遙操作系統(tǒng)與電路系統(tǒng)進(jìn)行類(lèi)比，用二端口網(wǎng)絡(luò)的方法研究遙操作系統(tǒng)。只要保證傳輸線(xiàn)的無(wú)源性，就可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.4.1、二端口網(wǎng)絡(luò)如果有兩對(duì)端子滿(mǎn)足端口條件，即對(duì)于所有時(shí)間t，從端子1流入方框的電流等于從端子1' 流出的電流；同時(shí)，從端子2流入方框的電流等于從端子2'

11、 流出的電流，這種電路稱(chēng)為二端口網(wǎng)絡(luò)。用二端口概念分析電路時(shí)，僅對(duì)二端口處的電流、電壓之間的關(guān)系感興趣，這種相互關(guān)系可以通過(guò)一些參數(shù)表示，而這些參數(shù)只決定于構(gòu)成二端口本身的元件及他們的連接方式。一旦確定表征這個(gè)二端口的參數(shù)后，當(dāng)一個(gè)端口的電壓、電流發(fā)生變化，要找出另外一個(gè)端口上的電壓、電流就比較容易了15。圖2：二端口網(wǎng)絡(luò)3.4.2、二端口網(wǎng)絡(luò)的有源性和無(wú)源性無(wú)源性：對(duì)一個(gè)N 端口網(wǎng)絡(luò)，若在任何時(shí)刻t0和任何t t0時(shí)刻，對(duì)于所有容許的信號(hào) V (t )和 i (t )來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)存和供應(yīng)到該網(wǎng)絡(luò)的能量，在所有的時(shí)間t均為非負(fù)值，即： 則該網(wǎng)絡(luò)就是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。無(wú)源網(wǎng)絡(luò)是任何時(shí)候都不能釋放出能量的。有

12、源性：一個(gè)N 端口網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)于某一激勵(lì)，某一時(shí)刻初始時(shí)間t0和任何t0 t時(shí)刻的某一時(shí)間有下列關(guān)系，即：則該網(wǎng)絡(luò)就是有源網(wǎng)絡(luò)。有源網(wǎng)絡(luò)可以釋放出能量。4、 畢業(yè)設(shè)計(jì)總體進(jìn)度安排2011年11月 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料及學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。2011年12月 撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)閱讀報(bào)告。2012年3-4月 設(shè)計(jì)整個(gè)遙操作機(jī)器人時(shí)延控制器的算法。2012年5月 利用matlab軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真模擬。2012年6月 撰寫(xiě)畢業(yè)論文。參考文獻(xiàn)：1 景興建, 王越超, 談大龍. 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)延控制方法綜述 J. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2004，30(2): 214-223.2Shemdan T B. Space te

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