1、力覺臨場感遙控作業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展 0804311 19 楊陽遙操作的來源 目前的研究表明, 由于受到傳感、控制、機構(gòu)和人工智能等技術(shù)水平的限制, 研制出在未知或變化環(huán)境下作業(yè)的全自主式機器人尚不可能, 在上述的大部分環(huán)境中, 仍需要人的參與, 借助于人的智能和經(jīng)驗來完成復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)。 遙控作業(yè)機器人有5部分組成：操作者、主機器人、通信環(huán)節(jié)、從機器人及環(huán)境。 由操作者向主機器人發(fā)出操作命令（如位置命令）操作主機器人運動，主機器人的運動信息通過通信環(huán)節(jié)傳給遠地的從機器人，從而控制從機器人的運動； 當從機械手同環(huán)境接觸時，從機械手所受到的接觸力又通過通信環(huán)節(jié)傳給本地主機器人，使主機

2、器人感受到遠端的接觸力，從而能夠更好地完成一些較為精細的作業(yè)。力覺臨場感 力覺臨場感是臨場感技術(shù)的主要研究內(nèi)容, 是指將遠地從機械手與環(huán)境的相互作用力通過傳感器實時反饋到本地操作者處, 使操作者產(chǎn)生身臨其境的感受, 從而實現(xiàn)對機械手帶力感覺的控制。它是遙控作業(yè)機器人完成接觸性任務(wù)的保證。 理想的力覺臨場感系統(tǒng)能使操作者產(chǎn)生直接觸摸、移動、擠壓遠地環(huán)境目標物體的感覺, 就好像在工作現(xiàn)場一樣。 在沒有力反饋的遙控操作系統(tǒng)中, 機器人嚴格按照操作者的指令運動, 機械手的實際位置與指令位置的誤差會帶來較大的不必要的接觸力和力矩。因此這種系統(tǒng)很難保證機械手的安全和可靠性。而力覺臨場感系統(tǒng)則完全克服了這些

3、缺點, 具有極大的靈活性和極高的效率。 試驗表明, 好的力覺反饋可以使人在有或無視覺反饋的情況下執(zhí)行遠地的任務(wù),且性能優(yōu)于沒有力覺反饋的情況, 若只給操作者視覺反饋而不提供力覺反饋, 操作者的操作性能就會受到很大限制, 研究表明提供力反饋可以使完成任務(wù)的時間減少40% ?？刂平Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)的穩(wěn)定性 1993年Lawarence總結(jié)了目前出現(xiàn)的控制結(jié)構(gòu)提出了通用雙向力反射結(jié)構(gòu), 據(jù)此分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性, 指出臨場感系統(tǒng)的透明性和魯棒穩(wěn)定性是兩個相互抵觸的指標。 時延影響: 在空間和水下這種遠距離作業(yè)中, 本地操作者和遠地機器人之間的通信時延已成為影響臨場感作業(yè)機器人系統(tǒng)正常工作的突出問題。時延

4、問題 時延造成了力覺臨場感機器人系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和透明性降低。對于所設(shè)計的控制系統(tǒng)，如果能減小或消除時延對系統(tǒng)的影響，在滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，可以極大地增強系統(tǒng)的可操作性，提高操作性能。 減小( 消除) 時延影響的辦法之一是采用預(yù)測技術(shù), 根據(jù)當前的信息和歷史信息預(yù)測未來的輸出, 目前將預(yù)測控制技術(shù)應(yīng)用于時延力覺臨場感系統(tǒng)的研究正在開展之中。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的注入 虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過在主機器人控制站建立虛擬環(huán)境和虛擬從機器人,操作者操縱主機器人一方面控制虛擬從機器人(與虛擬環(huán)境接觸, 并實時感受其相互作用力);另一方面通過時延環(huán)節(jié)控制遠地從機器人(與環(huán)境接觸) 。若虛擬環(huán)境和虛擬從機器人等效于實際的遠地環(huán)境和從機器人,則操作者實時地操作虛擬從機器人和虛擬環(huán)境接觸就等同于操作者延時地操縱從機器人同真實遠地環(huán)境接觸,就可完全消除時延對系統(tǒng)的影響 1997 年Tsumaki指出: 基于虛擬現(xiàn)實的遙操作中, 盡管力反饋與時延無關(guān), 但依賴于模型的精度, 從而設(shè)計了一套對建模誤差具有魯棒性的遙操作系統(tǒng)。 遙控作業(yè)機器人虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在, 迫切需要解決虛擬現(xiàn)實( 機器人和環(huán)境) 的建模問題, 使操作者能夠處于真實的虛擬環(huán)境之中, 從而真正實現(xiàn)透明臨場感。 控制技術(shù)是力覺臨場感遙控作業(yè)機器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)之一, 特別是在通信時延存在下,如何實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制