畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)閱讀分析方案

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制日期： 2018 年 1 月 13日、畢業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)問題的研究背景遙操作機(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，對環(huán)境的感知信息則經(jīng)過上述環(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，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 。隨著遙操作控制技術(shù)不斷成熟，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)越

2、來越引起學(xué)術(shù)界和工 業(yè)界注意。由于其應(yīng)用前景越來越廣闊，已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人研究領(lǐng)域的一大 熱點(diǎn)。在空間探索、海洋開發(fā)、遠(yuǎn)程作業(yè)這些人類難以到達(dá)或未知環(huán)境中，遙 操作系統(tǒng)的必要性不斷增強(qiáng)；在高空、深海，核環(huán)境、生化環(huán)境等這些對人體 健康有害的環(huán)境中，遙操作系統(tǒng)必不可少；在煤礦、建設(shè)、軍事戰(zhàn)場等惡劣環(huán) 境中，遙操作系統(tǒng)有很好應(yīng)用前景。此外，為了實(shí)現(xiàn)在這些環(huán)境中的復(fù)雜作 業(yè)，被運(yùn)行的操作任務(wù)包括復(fù)雜機(jī)械和環(huán)境的交互作用，要求操作者具有廣泛 的經(jīng)驗(yàn)和直接熟練的知識。這些技能在現(xiàn)階段不容易被做成模型。因此對于非 結(jié)構(gòu)環(huán)境和動(dòng)態(tài)時(shí)變環(huán)境中的復(fù)雜作業(yè)由于受到資金、技術(shù)水平和運(yùn)作的不確 定性等方面的限制 2

3、，尤其是工作在危險(xiǎn)環(huán)境下的機(jī)器人，需要人類的不斷介 入，對遙控裝置的作業(yè)進(jìn)行適度的理解、計(jì)劃和控制。基于以上原因，遙操作 機(jī)器人大有用武之地。1.1 、遙操作機(jī)器人的發(fā)展簡況遙機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展歷程總體上可分為兩個(gè)階段：第一階段是驅(qū)動(dòng)方式的 進(jìn)步，從機(jī)械聯(lián)動(dòng)發(fā)展到電動(dòng)伺服，基本形式是雙向力反應(yīng)主從操作，應(yīng)用領(lǐng) 域主要是核工業(yè)和太空探索；第二階段是控制方式的進(jìn)步，八十年代以后，計(jì) 算機(jī)技術(shù)、控制理論、人工智能和通訊科學(xué)的飛速發(fā)展，引導(dǎo)了計(jì)算機(jī)輔助遙 控的出現(xiàn)，即第二代機(jī)器人遙操作技術(shù)。90年代以后，機(jī)器人技術(shù)的研究出現(xiàn)了新的局面，這就是機(jī)器人與其它領(lǐng) 域的交叉，特別是機(jī)器人與計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)的交

4、叉。這種交叉的發(fā)生改變 了機(jī)器人研究的局面，產(chǎn)生了基于In ternet的機(jī)器人控制技術(shù)，這一技術(shù)的深入 發(fā)展給遙操作機(jī)器人的研究注入嶄新的活力。1.1.1、國外遙操作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展簡況1997 年，美國 Wilkes 大學(xué) M.R. Stein3 將一臺用于畫圖的 PUMA760 機(jī)器人與 Internet 連接。機(jī)器人的末端配有四個(gè)繪畫用的刷子，可以選擇紅、綠、藍(lán)、黃四種顏 色，遠(yuǎn)程操作者通過瀏覽器注冊，下載一個(gè)小的控制程序來控制機(jī)器人畫圖。 1 998 年， Swiss Federal 技術(shù)學(xué)院的 P. Saucy4 博士進(jìn)行了基于 Internet 的移動(dòng)機(jī)器人控制的實(shí)驗(yàn)；同年，美國

5、Carnegie-Mellon 大學(xué) R. Simmo nd5完成了通過In ternet的移動(dòng)機(jī)器人（Xavier導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，可以通過Internet控制移動(dòng)機(jī)器人在樓內(nèi)各個(gè)房間運(yùn)動(dòng)，完成傳遞文件的任務(wù)。2000年日本國家空間研究所 （NASDA 成功地對人造衛(wèi)星上的機(jī)器人進(jìn)行了遙操作。 2004 年美國國家航空和宇宙航行局 （NASA 的“勇氣號 ”火星車成功登陸火星，并向地 球傳回了火星表面的照片。 2005 美國 Coordinated Science 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了半自主人機(jī)協(xié)作多機(jī)器人登月探測遙操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了地球和 月球上操作者的雙向遙操作，并能控制月球機(jī)器人在月球上建造人類生活環(huán)

6、境 、為太陽能光電板充電以及為利用本地能源控制多個(gè)機(jī)器人協(xié)作挖掘巖石。 200 8 年 3 月，美國“奮進(jìn)”號航天飛機(jī)將由加拿大航天局負(fù)責(zé)分工制造的 Dextre 大型機(jī)器人運(yùn)送到國際太空站并組裝完成。 Dextre 重約為 1560 公斤，身高為 3.7M ，兩臂平伸的長度是2.4M，其中每只手臂上有可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的七個(gè)關(guān)節(jié)，非常靈活。這也是人類有史 以來在太空安置的最大的機(jī)器人裝置。近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與空間機(jī)器人技術(shù)的有機(jī)結(jié)合越來越成為空間機(jī)器人研究關(guān)注的焦點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)VR）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

7、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。俄羅斯、法國和英國三個(gè)國家的 研究人員合作完成的遙操作實(shí)驗(yàn)，采用Java和Java3D技術(shù)建立了一個(gè)三維的虛擬環(huán)境，通過Web方式訪問遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)手套控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。1.1.2、國內(nèi)遙操作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展簡況我國非常重視機(jī)器人技術(shù)的研究。 1986 年，國家八六三計(jì)劃將智能機(jī)器人列入其中，開始了對遙機(jī)器人技術(shù)的研究。 經(jīng)過三十年的艱苦奮斗，從跟蹤世界先進(jìn)水平到自主開發(fā)，在空間、海洋、遠(yuǎn) 程教案等應(yīng)用領(lǐng)域取得了階段性成果。清華大學(xué)開發(fā)的基于視覺臨場感的機(jī)器人遙操作

8、系統(tǒng)，既可通過人機(jī)交互 協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的監(jiān)控遙操作，又允許機(jī)器人基于傳感器對高層控制規(guī) 劃進(jìn)行修正 6 。中科院沈陽自動(dòng)化研究所研制了主從異構(gòu)的監(jiān)控遙操作系統(tǒng) 7 ，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了空間機(jī)器人共享系統(tǒng) 8 ，北京航空航天大學(xué)開發(fā)了 基于 Internet 的遙操作系統(tǒng) 9 ，南開大學(xué)開發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)主從式遙操作平臺 10 ，上海交通大學(xué)開發(fā)了基于 Web 的機(jī)器人遙操作系統(tǒng) 11 ，國防科技大學(xué)開 發(fā)了基于 VR 技術(shù)的監(jiān)控式大時(shí)延機(jī)器人系統(tǒng) 12 ，華南理工大學(xué)開發(fā)了基于國 際互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng) 13 ，東南大學(xué)開發(fā)了力覺臨場感遙操作系統(tǒng) 14 。這些成就說明了我國在遙操作

9、機(jī)器人領(lǐng)域取得的進(jìn)展。國內(nèi)關(guān)于虛擬現(xiàn)實(shí) VR ) 的研究工作從 90 年代初開始。我國八六三計(jì)劃 中，自動(dòng)化領(lǐng)域智能機(jī)器人主題以及航天領(lǐng)域空間機(jī)器人專題于 1996 年開始 將遙操作機(jī)器人技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)加以研究，清華大學(xué)、東南大學(xué)、中科院合 肥智能所、北航、哈工大、沈陽自動(dòng)化研究所等已先后開展了基于 VR 的遙操 作機(jī)器人技術(shù)的研究。其中清華大學(xué)較早開展視覺臨場感的研究。北京航空航 天大學(xué)計(jì)算機(jī)系和浙江大學(xué) CAD&CG 國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國內(nèi)最早進(jìn)行 VR 實(shí)現(xiàn) 算法研究的單位，他們主要針對虛擬環(huán)境中物體物理特性的建模與圖形渲染的 快速生成等開展了一些應(yīng)用基礎(chǔ)研究。沈陽自動(dòng)化研究所以水下機(jī)器

10、人的遙操 作作業(yè)為應(yīng)用背景，提出并實(shí)現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和視覺感知信息輔助機(jī)器人遙 操作系統(tǒng)，使用了 CAD 模型和立體視覺信息完成遙操作機(jī)器人及其作業(yè)環(huán)境的 幾何建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境的生成和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖形顯示，并研制 了一套主從異構(gòu)式虛擬監(jiān)控遙操作系統(tǒng)。二、遙操作機(jī)器人的時(shí)延控制 最早的遙操作系統(tǒng)用于地面平臺對太空設(shè)備的控制上 15, 由于電磁波傳播速 度及信號收發(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)的知覺感受和操作性能帶來極大影響16。于是在原有遙操作系統(tǒng) 上，就逐步增加了信號反饋，尤其是力反饋信號。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)

11、延的存在，系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到了影響。因此，在 存在時(shí)延、擾動(dòng)和誤差等干擾的情況下，設(shè)計(jì)控制器除了要保證穩(wěn)定性外，還 要克服時(shí)延的影響。為此，共享柔性操作、阻抗控制、監(jiān)督控制和預(yù)測控制等 控制策略相繼被提出和應(yīng)用。然而，這還沒有使對遙操作系統(tǒng)的控制達(dá)到滿意 效果。尤其是近年來，In ternet網(wǎng)絡(luò)被引入遙操作系統(tǒng)充當(dāng)主從子系統(tǒng)間的通 信環(huán)節(jié)后，遙操作系統(tǒng)的控制又增加了新的困難。由于In ternet網(wǎng)絡(luò)采用特殊的信號傳遞方式和機(jī)制，信號在傳遞過程中會(huì)遇到時(shí)延、丟失、亂序和同步等 問題，而且這種時(shí)延是隨機(jī)時(shí)變的，更可能未知17。這就使遙操作系統(tǒng)的控制 更為復(fù)雜。因此，近年來對遙操作系統(tǒng)時(shí)延控制的研

12、究成為熱點(diǎn)問題。下面介紹幾種流行的遙操作機(jī)器人時(shí)延控制方法：2.1、基于電路理論的無源控制方法這種方法由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)行類 比，用二端口網(wǎng)絡(luò)理論分析遙操作系統(tǒng)18。通過分析發(fā)現(xiàn)，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的 原因在于通信時(shí)延造成了傳輸線的有源性。要解決系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題，關(guān)鍵是 要控制本地和遠(yuǎn)端的傳輸環(huán)節(jié)，使其具有無源傳輸線的性能。基于二端口網(wǎng)絡(luò) 的理論，學(xué)者們主要提出了散射理論和波變量理論。散射理論使一套能保證系統(tǒng)在任何時(shí)延下穩(wěn)定性的無源控制算法，由Anderson和Spong在1989年提出四。Niemeyer和Slotine 在1991年提出波變 量的概念，利

13、用能量流理論來解決傳輸線的有源性，從而保證系統(tǒng)在任何時(shí)延 下的穩(wěn)定性而提出的控制算法20。這兩種力量的本質(zhì)是一樣的，有如下模型：2.2、基于事件的控制方法在遙操作系統(tǒng)中，如果時(shí)延很大或者不可預(yù)測，傳統(tǒng)方法很難達(dá)到控制效 果。于是，有學(xué)者提出了基于事件的控制方法。這種方法為系統(tǒng)尋找一個(gè)與時(shí) 間無關(guān)的參量，即事件。控制系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)都是基于事件這個(gè)變量進(jìn)行 的。1999 年席寧研究員將他和談自忠教授于1993年前后提出的用于多機(jī)器人協(xié)作的基于事件的規(guī)劃與控制方法用于機(jī)器人遙操作 21 , 取得了卓有成效的成 果。但是 , 隨著應(yīng)用的不斷拓廣 , 要求機(jī)器人在動(dòng)態(tài)變化的和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境 下完成特定

14、任務(wù)越來越多。這種條件下 , 這種基于事件的遙操作已經(jīng)不能滿足 需要。因此 , 2003 年, 他和王越超研究員等人又進(jìn)行改進(jìn) , 提出利用謂詞不變 性的狀態(tài)反饋并利用混雜 Petri 網(wǎng)來提高機(jī)器人的自主性和操作性能?；谶@ 種方法，機(jī)器人執(zhí)行一個(gè)指令后，在下一條指令沒有到來之前，會(huì)自己繼續(xù)執(zhí) 行一個(gè)不違反系統(tǒng)任務(wù)的動(dòng)作。2.3 、基于現(xiàn)代控制理論的方法 對于遙操作系統(tǒng)，可以借助李雅譜諾夫穩(wěn)定性理論，得到系統(tǒng)與時(shí)延有關(guān) 或無關(guān)的控制。 Leung 和 Francis 等人利用基于“無源距離”和“透明距離” 的綜合評價(jià)法設(shè)計(jì)遙操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并利用H %最優(yōu)控制理論指導(dǎo)時(shí)延下遙 操作系統(tǒng)中控制

15、器的設(shè)計(jì)。但是由于現(xiàn)代控制理論的不完善以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上的困難，它對解決機(jī)器人 遙操作系統(tǒng)的通信時(shí)延問題目前僅停留在理論和方法的探討上。2.4 、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的方法 基于電路網(wǎng)絡(luò)理論的無源通信法則所實(shí)現(xiàn)的控制算法對解決短時(shí)延問題具 有較好的效果 , 而在長時(shí)延的情況下 , 要實(shí)現(xiàn)在保證系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)又同時(shí)具有良好 的可操作性則顯得無能為力；現(xiàn)代控制理論目前還不完善，其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上也存 在困難 , 基于現(xiàn)代控制理論所提出的各種控制算法亦未能較好地解決系統(tǒng)通信 時(shí)延問題。因此，許多研究者將注意力轉(zhuǎn)向了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù) 應(yīng)用于機(jī)器人遙操作系統(tǒng)，可以克服通信時(shí)延以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性并具有良好 的操

16、作性能。虛擬現(xiàn)實(shí), 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 22 。目前, 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遙控機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 :a 用于地面遙控維修機(jī)器人領(lǐng)域 , 如在危險(xiǎn)核電站代替維修員進(jìn)行維修工作。 b用于遙控水下機(jī)器人領(lǐng)域 , 在危險(xiǎn)深海代替潛水員進(jìn)行探險(xiǎn)、維修等作業(yè)。 c用于機(jī)器人遙控手術(shù) , 在地球上的醫(yī)生可以在離地球遙遠(yuǎn)的空間站進(jìn)行手術(shù)。 d 用于空間站遙控機(jī)器人，在危險(xiǎn)的宇宙代替宇航員進(jìn)行艙外作業(yè)。其中在遙控 機(jī)器人領(lǐng)域，尤其需要虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙操作研究的主要目的在于提高仿真系統(tǒng)的逼真性和虛擬性。它包含以下幾種關(guān)鍵

17、技術(shù)：a虛擬現(xiàn)實(shí)動(dòng)態(tài)建模技術(shù)；b解決通信容量和 時(shí)延問題的技術(shù)； c 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的自主控制、遙控制和共享自主控制技術(shù)及 系 統(tǒng)集成技術(shù)； d 人機(jī)交互界面。三、總結(jié)遙操作機(jī)器人是人類探索自然和改造自然的有力工具，它能代替人到達(dá)人 無法到達(dá)的環(huán)境，處理人無法精確處理的任務(wù)。操作機(jī)器人時(shí)延控制系統(tǒng)的研 究是一個(gè)非常有挑戰(zhàn)性的課題，具有重要的研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。因 而，近年來這方面的研究十分活躍，將遙操作技術(shù)的發(fā)展提高了一個(gè)新的高 度。隨著研究的深入，遙操作機(jī)器人系統(tǒng)必將為人類帶來更多的便利。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

18、: 214-223.2 湯宇松，劉景泰，盧桂章.利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)分析J.機(jī)器人，2000，(1 : 15-20.3 STEIN M R . Painting on the World Wide Web : The puma paint projectC . Proceedings of the 1998 Conference on Telema ni pulator and Teleprese neeTechnologies, Boston, 1998: 201-209.4SAUCY P , MONDADA F . KhepOnTheWeb: Open access to a

19、 mobile robot on the internetJ . IEEE Robotics and Automation Magazine , 2000, (7: 41-47.5SIMMONS R, FERNANDEZ J L, GOODWIN R, et al. Lessons XavierJ . IEEE Robotics & Automation Magazine , 2000, 7(2: 33-39 .learnedfrom徐旭明，葉榛，陶品，等基于視覺臨場感的機(jī)器人遙操作系統(tǒng),10(3 : 57-60 .J.高技術(shù)通訊，20007戴炬異機(jī)構(gòu)遙控主從手的雙向力反映J.控制理論與應(yīng)用,

20、1996, 13: 259-261 .8郭舫舫，趙杰，蔡鶴皋.一個(gè)基于阻抗矩陣的雙向力反應(yīng)遙操作系統(tǒng)模型J.機(jī)電工程，1998, (2 : 43-44.9 游松.基于國際互聯(lián)網(wǎng)的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的研究.北京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文，2000: 1-18.10 馬宏鵬，安剛，趙新，等.基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)平臺J.自動(dòng)化與儀表，2000, 15(6 : 3-7.11 任昊星，翁海華，楊楊，等.基于Web的機(jī)器人遙操作的研究與實(shí)現(xiàn)J.計(jì)算機(jī)工程，1999, 25(5 : 64-65.12 韋慶，李杰.基于事件反饋的機(jī)器人監(jiān)控技術(shù)及其在大時(shí)延遙操作中的應(yīng)用C.空間機(jī)器人及遙科學(xué)技術(shù)研討會(huì)論文集

21、，1999: 307-313.Internet13吳國釗，傅雪冬，裴海龍基于的機(jī)器人實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2000, (1: 24-26 14 丁希侖，李海濤，解玉文，等.基于In ternet的擬人雙臂機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的研究J.高技術(shù)通訊，2006, 16(8 : 808-812 .15 Shemda n T B. Space teleoperati on through time delay : Review and prog no sis. IEEE Tran sacti ons on Robotics and Automation , 1993.9(5:59260616 Ferrell W R. Remote man ipulati on with tran smissi on delay . IEEE Tran sact ions on Huma n Factors in Electronics . 1965,HFE-6(117 Chen N. Qos strategy for tele-robotic systemPH D dissertation. Shenyang: Shenyang In stitute of Automati on. Chin e