【摘要】：Internet的迅速發(fā)展推動了計算機(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。通過建立跨地域的連接,Internet環(huán)境下的機(jī)器人已開辟出新的應(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的開放性意味其網(wǎng)絡(luò)性能更具有動態(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、延時抖動、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)時延的規(guī)律,并通過統(tǒng)計分析進(jìn)行建模以及模型預(yù)測,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)時延對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的影響。通過建立統(tǒng)計學(xué)與數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上,逐步建立網(wǎng)絡(luò)時延的隱馬爾科夫模型和時延生成模型,對Internet網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行建模分析和預(yù)測,并通過模型訓(xùn)練驗證了得到的時延模型預(yù)測結(jié)果的精準(zhǔn)性。其次對遙操作機(jī)器人主從端多自由度機(jī)械手臂和移動機(jī)器人兩種機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行動力學(xué)和運動學(xué)建模,特別在模型中加入了非線性摩擦部分,使模型更加接近實際機(jī)器人特性。在此基礎(chǔ)上,針對網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)變時延環(huán)境,利用無源理論中的時域無源控制方法進(jìn)行系統(tǒng)變時延環(huán)節(jié)無源穩(wěn)定性控制。對時域無源控制加入了時延變化率預(yù)估器,提高無源觀測器和無源控制器精度,仿真實驗驗證了該方法的有效性。波變量法是無源理論另一重要方法,通過對波變換法的基礎(chǔ)上加入基于時延生成模型的改進(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)時延對控制系統(tǒng)性能的影響,仿真實驗驗證這種方法的有效性。隨后針對復(fù)雜的多自由度主從端異構(gòu)機(jī)器人,尤其是從端機(jī)械手臂與移動平臺結(jié)合的機(jī)器人結(jié)構(gòu),基于被控對象的歐拉-拉格朗日動力學(xué)模型,利用李雅普諾夫函數(shù)以及變結(jié)構(gòu)控制方法,對從端機(jī)器人進(jìn)行分散控制。最后通過仿真和實驗手段,在模擬Internet網(wǎng)絡(luò)變時延環(huán)境下,實現(xiàn)了對遙操作機(jī)器人的可靠控制,結(jié)果表明本文提出的控制方案對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,系統(tǒng)從端的移動平臺可以實現(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)定動作指令,遙操作機(jī)器人系統(tǒng)具有較好的控制效果。本文所提出的控制領(lǐng)域的解決方案,不僅可以降低Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量不確定性對遙操作機(jī)器人系統(tǒng)的影響和限制,還可以作為進(jìn)一步開展Internet環(huán)境下遙操作機(jī)器人研究的依據(jù),與網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究成果互補(bǔ),通過跨學(xué)科的努力,縮短遙操作機(jī)器人系統(tǒng)與實用化的距離,為遙操作機(jī)器人技術(shù)提供更加廣闊的應(yīng)用空間。
【圖文】：

圖 1-2 基于 VR 的遙操作機(jī)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1-2 Structure of Teleoperation System Based on VR實技術(shù)[20]（VR）是用計算機(jī)虛擬重構(gòu)從端環(huán)境，讓用戶從多種感覺上沉浸其中，理論上應(yīng)該為用戶提供實時的、穩(wěn)定作者與環(huán)境的交互，消除操作者與環(huán)境之間的時延，該技術(shù)一個發(fā)展方向。VR 技術(shù)最著名的應(yīng)用就是美國宇航局對火擬仿真環(huán)境視覺顯示器（VIVED）項目，利用火星探測器發(fā)回

華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文預(yù)估器預(yù)測從手狀態(tài)，，使系統(tǒng)在時延環(huán)境下可以提前發(fā)送 Smith 預(yù)估控制成為廣泛應(yīng)用的遙操作系統(tǒng)時延控制的控制的局限性在于，只有模型精確時系統(tǒng)的力反饋是與時機(jī)器人和環(huán)境模型往往是時變的。鑒于這種情況，Burde差具有魯棒性的遙操作機(jī)器人預(yù)見控制系統(tǒng)[19]。預(yù)測顯示技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分別如圖 1-1 和圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2537812