毕业设计文献阅读分析方案

1、毕业设计文献阅读报告遥操作机器人的时延控制日期： 2018 年 1 月 13日、毕业设计相关问题的研究背景遥操作机器人系统由操作者、主端机器人子系统、通信环节、从端机器人 子系统和工作环境组成。操作者指令通过主端机器人、通信环节和从端机器人 作用于环境，对环境的感知信息则经过上述环节返回到主端操作者，使主端操 作者有身临其境的感觉，从而有效完成操作任务。遥操作系统能将人所在的主 端的命令和行为传到并作用在远端，实现对远端环境的期望的操作和控制，从 而极大地提高操作者的安全性和工作效率，节俭成本，更高效合理地利用人力 资源，实现多方协调作业等 1 。随着遥操作控制技术不断成熟，遥操作机器人系统越

2、来越引起学术界和工 业界注意。由于其应用前景越来越广阔，已经成为当今机器人研究领域的一大 热点。在空间探索、海洋开发、远程作业这些人类难以到达或未知环境中，遥 操作系统的必要性不断增强；在高空、深海，核环境、生化环境等这些对人体 健康有害的环境中，遥操作系统必不可少；在煤矿、建设、军事战场等恶劣环 境中，遥操作系统有很好应用前景。此外，为了实现在这些环境中的复杂作 业，被运行的操作任务包括复杂机械和环境的交互作用，要求操作者具有广泛 的经验和直接熟练的知识。这些技能在现阶段不容易被做成模型。因此对于非 结构环境和动态时变环境中的复杂作业由于受到资金、技术水平和运作的不确 定性等方面的限制 2

3、，尤其是工作在危险环境下的机器人，需要人类的不断介 入，对遥控装置的作业进行适度的理解、计划和控制。基于以上原因，遥操作 机器人大有用武之地。1.1 、遥操作机器人的发展简况遥机器人技术的发展历程总体上可分为两个阶段：第一阶段是驱动方式的 进步，从机械联动发展到电动伺服，基本形式是双向力反应主从操作，应用领 域主要是核工业和太空探索；第二阶段是控制方式的进步，八十年代以后，计 算机技术、控制理论、人工智能和通讯科学的飞速发展，引导了计算机辅助遥 控的出现，即第二代机器人遥操作技术。90年代以后，机器人技术的研究出现了新的局面，这就是机器人与其它领 域的交叉，特别是机器人与计算机、通信和网络的交

4、叉。这种交叉的发生改变 了机器人研究的局面，产生了基于In ternet的机器人控制技术，这一技术的深入 发展给遥操作机器人的研究注入崭新的活力。1.1.1、国外遥操作机器人技术发展简况1997 年，美国 Wilkes 大学 M.R. Stein3 将一台用于画图的 PUMA760 机器人与 Internet 连接。机器人的末端配有四个绘画用的刷子，可以选择红、绿、蓝、黄四种颜 色，远程操作者通过浏览器注册，下载一个小的控制程序来控制机器人画图。 1 998 年， Swiss Federal 技术学院的 P. Saucy4 博士进行了基于 Internet 的移动机器人控制的实验；同年，美国

5、Carnegie-Mellon 大学 R. Simmo nd5完成了通过In ternet的移动机器人（Xavier导航实验，可以通过Internet控制移动机器人在楼内各个房间运动，完成传递文件的任务。2000年日本国家空间研究所 （NASDA 成功地对人造卫星上的机器人进行了遥操作。 2004 年美国国家航空和宇宙航行局 （NASA 的“勇气号 ”火星车成功登陆火星，并向地 球传回了火星表面的照片。 2005 美国 Coordinated Science 实验室开发出了半自主人机协作多机器人登月探测遥操作系统，实现了地球和 月球上操作者的双向遥操作，并能控制月球机器人在月球上建造人类生活环

6、境 、为太阳能光电板充电以及为利用本地能源控制多个机器人协作挖掘岩石。 200 8 年 3 月，美国“奋进”号航天飞机将由加拿大航天局负责分工制造的 Dextre 大型机器人运送到国际太空站并组装完成。 Dextre 重约为 1560 公斤，身高为 3.7M ，两臂平伸的长度是2.4M，其中每只手臂上有可以自由转动的七个关节，非常灵活。这也是人类有史 以来在太空安置的最大的机器人装置。近年来，虚拟现实技术与空间机器人技术的有机结合越来越成为空间机器人研究关注的焦点。虚拟现实VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的多传感 融合与多媒体集成的计算机系统。人们可以利用该计算机系统生成某种虚拟环 境（如宇

7、宙空间、水下等作业环境 ，借助各种传感设备使操作者 “投入 ”到该环 境中，实现操作者与该环境的直接自然交互。俄罗斯、法国和英国三个国家的 研究人员合作完成的遥操作实验，采用Java和Java3D技术建立了一个三维的虚拟环境，通过Web方式访问远程网络上的遥操作机器人系统，利用数据手套控制机器人运动。1.1.2、国内遥操作机器人技术发展简况我国非常重视机器人技术的研究。 1986 年，国家八六三计划将智能机器人列入其中，开始了对遥机器人技术的研究。 经过三十年的艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，在空间、海洋、远 程教案等应用领域取得了阶段性成果。清华大学开发的基于视觉临场感的机器人遥操作

8、系统，既可通过人机交互 协调控制实现对机器人的监控遥操作，又允许机器人基于传感器对高层控制规 划进行修正 6 。中科院沈阳自动化研究所研制了主从异构的监控遥操作系统 7 ，哈尔滨工业大学开发了空间机器人共享系统 8 ，北京航空航天大学开发了 基于 Internet 的遥操作系统 9 ，南开大学开发了基于互联网主从式遥操作平台 10 ，上海交通大学开发了基于 Web 的机器人遥操作系统 11 ，国防科技大学开 发了基于 VR 技术的监控式大时延机器人系统 12 ，华南理工大学开发了基于国 际互联网的机器人实时跟踪系统 13 ，东南大学开发了力觉临场感遥操作系统 14 。这些成就说明了我国在遥操作

9、机器人领域取得的进展。国内关于虚拟现实 VR ) 的研究工作从 90 年代初开始。我国八六三计划 中，自动化领域智能机器人主题以及航天领域空间机器人专题于 1996 年开始 将遥操作机器人技术列为关键技术加以研究，清华大学、东南大学、中科院合 肥智能所、北航、哈工大、沈阳自动化研究所等已先后开展了基于 VR 的遥操 作机器人技术的研究。其中清华大学较早开展视觉临场感的研究。北京航空航 天大学计算机系和浙江大学 CAD&CG 国家重点实验室是国内最早进行 VR 实现 算法研究的单位，他们主要针对虚拟环境中物体物理特性的建模与图形渲染的 快速生成等开展了一些应用基础研究。沈阳自动化研究所以水下机器

10、人的遥操 作作业为应用背景，提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知信息辅助机器人遥 操作系统，使用了 CAD 模型和立体视觉信息完成遥操作机器人及其作业环境的 几何建模和运动学建模，实现了虚拟环境的生成和实时动态图形显示，并研制 了一套主从异构式虚拟监控遥操作系统。二、遥操作机器人的时延控制 最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上 15, 由于电磁波传播速 度及信号收发处理方面等的局限性，遥操作系统往往存在比较大的时延。这些时延会给系统的知觉感受和操作性能带来极大影响16。于是在原有遥操作系统 上，就逐步增加了信号反馈，尤其是力反馈信号。然而，这虽然提高了遥操作 系统的操作性能，但是由于时

11、延的存在，系统的稳定性受到了影响。因此，在 存在时延、扰动和误差等干扰的情况下，设计控制器除了要保证稳定性外，还 要克服时延的影响。为此，共享柔性操作、阻抗控制、监督控制和预测控制等 控制策略相继被提出和应用。然而，这还没有使对遥操作系统的控制达到满意 效果。尤其是近年来，In ternet网络被引入遥操作系统充当主从子系统间的通 信环节后，遥操作系统的控制又增加了新的困难。由于In ternet网络采用特殊的信号传递方式和机制，信号在传递过程中会遇到时延、丢失、乱序和同步等 问题，而且这种时延是随机时变的，更可能未知17。这就使遥操作系统的控制 更为复杂。因此，近年来对遥操作系统时延控制的研

12、究成为热点问题。下面介绍几种流行的遥操作机器人时延控制方法：2.1、基于电路理论的无源控制方法这种方法由Raju在1989年首先提出。他将遥操作系统与电路网络进行类 比，用二端口网络理论分析遥操作系统18。通过分析发现，造成系统不稳定的 原因在于通信时延造成了传输线的有源性。要解决系统的稳定性问题，关键是 要控制本地和远端的传输环节，使其具有无源传输线的性能。基于二端口网络 的理论，学者们主要提出了散射理论和波变量理论。散射理论使一套能保证系统在任何时延下稳定性的无源控制算法，由Anderson和Spong在1989年提出四。Niemeyer和Slotine 在1991年提出波变 量的概念，利

13、用能量流理论来解决传输线的有源性，从而保证系统在任何时延 下的稳定性而提出的控制算法20。这两种力量的本质是一样的，有如下模型：2.2、基于事件的控制方法在遥操作系统中，如果时延很大或者不可预测，传统方法很难达到控制效 果。于是，有学者提出了基于事件的控制方法。这种方法为系统寻找一个与时 间无关的参量，即事件。控制系统的规划和设计都是基于事件这个变量进行 的。1999 年席宁研究员将他和谈自忠教授于1993年前后提出的用于多机器人协作的基于事件的规划与控制方法用于机器人遥操作 21 , 取得了卓有成效的成 果。但是 , 随着应用的不断拓广 , 要求机器人在动态变化的和非结构化的环境 下完成特定

14、任务越来越多。这种条件下 , 这种基于事件的遥操作已经不能满足 需要。因此 , 2003 年, 他和王越超研究员等人又进行改进 , 提出利用谓词不变 性的状态反馈并利用混杂 Petri 网来提高机器人的自主性和操作性能。基于这 种方法，机器人执行一个指令后，在下一条指令没有到来之前，会自己继续执 行一个不违反系统任务的动作。2.3 、基于现代控制理论的方法 对于遥操作系统，可以借助李雅谱诺夫稳定性理论，得到系统与时延有关 或无关的控制。 Leung 和 Francis 等人利用基于“无源距离”和“透明距离” 的综合评价法设计遥操作系统的结构，并利用H %最优控制理论指导时延下遥 操作系统中控制

15、器的设计。但是由于现代控制理论的不完善以及系统实现上的困难，它对解决机器人 遥操作系统的通信时延问题目前仅停留在理论和方法的探讨上。2.4 、基于虚拟现实技术的方法 基于电路网络理论的无源通信法则所实现的控制算法对解决短时延问题具 有较好的效果 , 而在长时延的情况下 , 要实现在保证系统稳定时又同时具有良好 的可操作性则显得无能为力；现代控制理论目前还不完善，其系统实现上也存 在困难 , 基于现代控制理论所提出的各种控制算法亦未能较好地解决系统通信 时延问题。因此，许多研究者将注意力转向了虚拟现实技术。将虚拟现实技术 应用于机器人遥操作系统，可以克服通信时延以确保系统的稳定性并具有良好 的操

16、作性能。虚拟现实, 借助各种传感设备使操作者“投入”到该环境中 , 实现操作者 与该环境的直接自然交互 22 。目前, 虚拟现实技术在遥控机器人领域的应用主要表现在以下几个方面 :a 用于地面遥控维修机器人领域 , 如在危险核电站代替维修员进行维修工作。 b用于遥控水下机器人领域 , 在危险深海代替潜水员进行探险、维修等作业。 c用于机器人遥控手术 , 在地球上的医生可以在离地球遥远的空间站进行手术。 d 用于空间站遥控机器人，在危险的宇宙代替宇航员进行舱外作业。其中在遥控 机器人领域，尤其需要虚拟现实技术。基于虚拟现实的遥操作研究的主要目的在于提高仿真系统的逼真性和虚拟性。它包含以下几种关键

17、技术：a虚拟现实动态建模技术；b解决通信容量和 时延问题的技术； c 基于虚拟现实的自主控制、遥控制和共享自主控制技术及 系 统集成技术； d 人机交互界面。三、总结遥操作机器人是人类探索自然和改造自然的有力工具，它能代替人到达人 无法到达的环境，处理人无法精确处理的任务。操作机器人时延控制系统的研 究是一个非常有挑战性的课题，具有重要的研究价值和广泛的应用前景。因 而，近年来这方面的研究十分活跃，将遥操作技术的发展提高了一个新的高 度。随着研究的深入，遥操作机器人系统必将为人类带来更多的便利。参考文献:1景兴建，王越超，谈大龙遥操作机器人系统时延控制方法综述J.自动化学报，2004,30(2

18、: 214-223.2 汤宇松，刘景泰，卢桂章.利用远程网络技术的机器人遥操作系统分析J.机器人，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

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20、1996, 13: 259-261 .8郭舫舫，赵杰，蔡鹤皋.一个基于阻抗矩阵的双向力反应遥操作系统模型J.机电工程，1998, (2 : 43-44.9 游松.基于国际互联网的遥操作机器人系统的研究.北京航空航天大学博士学位论文，2000: 1-18.10 马宏鹏，安刚，赵新，等.基于互联网的机器人遥操作系统平台J.自动化与仪表，2000, 15(6 : 3-7.11 任昊星，翁海华，杨杨，等.基于Web的机器人遥操作的研究与实现J.计算机工程，1999, 25(5 : 64-65.12 韦庆，李杰.基于事件反馈的机器人监控技术及其在大时延遥操作中的应用C.空间机器人及遥科学技术研讨会论文集

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