網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)建模及無(wú)源控制方法研究.pdf

1、Internet的迅速發(fā)展推動(dòng)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域和機(jī)器人領(lǐng)域的融合，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)的結(jié)合成為必然趨勢(shì)。通過(guò)建立跨地域的連接，Internet環(huán)境下的機(jī)器人已開(kāi)辟出新的應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括:遠(yuǎn)程治療，遠(yuǎn)程監(jiān)控、分布式作業(yè)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作、智能家居等。與局域網(wǎng)和專網(wǎng)不同，Internet的開(kāi)放性意味其網(wǎng)絡(luò)性能更具有動(dòng)態(tài)可變性，所提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量更不具有保證性，因此，Internet環(huán)境下的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)將更多地受到網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、延

2、時(shí)抖動(dòng)、丟包和鏈路可用帶寬資源可獲性的影響，這些網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)既受網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體制的影響，也受網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化的影響，具有較大的不確定性。這些因素直接影響遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明度，限制了遙操作機(jī)器人系統(tǒng)在Internet環(huán)境下的發(fā)展。
　　本文從網(wǎng)絡(luò)體系本身及控制領(lǐng)域出發(fā)，研究Internet網(wǎng)絡(luò)的特性，尤其是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的規(guī)律，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行建模以及模型預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步與先進(jìn)控制策略相結(jié)合，確保在Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境

3、下的遙操作機(jī)器人系統(tǒng)性能。本文首先全面研究Internet網(wǎng)絡(luò)各種性能參數(shù)，尤其是Internet網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)時(shí)延對(duì)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的影響。通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)學(xué)與數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，逐步建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的隱馬爾科夫模型和時(shí)延生成模型，對(duì)Internet網(wǎng)絡(luò)時(shí)延進(jìn)行建模分析和預(yù)測(cè)，并通過(guò)模型訓(xùn)練驗(yàn)證了得到的時(shí)延模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。其次對(duì)遙操作機(jī)器人主從端多自由度機(jī)械手臂和移動(dòng)機(jī)器人兩種機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，特別在模型中加入了非線性摩擦部分，使模

4、型更加接近實(shí)際機(jī)器人特性。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變時(shí)延環(huán)境，利用無(wú)源理論中的時(shí)域無(wú)源控制方法進(jìn)行系統(tǒng)變時(shí)延環(huán)節(jié)無(wú)源穩(wěn)定性控制。對(duì)時(shí)域無(wú)源控制加入了時(shí)延變化率預(yù)估器，提高無(wú)源觀測(cè)器和無(wú)源控制器精度，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。波變量法是無(wú)源理論另一重要方法，通過(guò)對(duì)波變換法的基礎(chǔ)上加入基于時(shí)延生成模型的改進(jìn)史密斯控制補(bǔ)償器，在從端形成位移追蹤閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，利用時(shí)延前饋補(bǔ)償消除網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下遙操作機(jī)器人通訊環(huán)節(jié)隨機(jī)時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，仿

5、真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這種方法的有效性。隨后針對(duì)復(fù)雜的多自由度主從端異構(gòu)機(jī)器人，尤其是從端機(jī)械手臂與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)合的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，基于被控對(duì)象的歐拉-拉格朗日動(dòng)力學(xué)模型，利用李雅普諾夫函數(shù)以及變結(jié)構(gòu)控制方法，對(duì)從端機(jī)器人進(jìn)行分散控制。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)手段，在模擬Internet網(wǎng)絡(luò)變時(shí)延環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遙操作機(jī)器人的可靠控制，結(jié)果表明本文提出的控制方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，系統(tǒng)從端的移動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地軌跡跟蹤，機(jī)械手臂也可以穩(wěn)定地完成預(yù)定動(dòng)作指令，遙操作