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力觉临场感遥控作业机器人控制系统研究现状和发展
0804311 19 杨阳
遥操作的来源
• 目前的研究表明, 由于受到传感、控制、机构和人工智能等技术水平的限制, 研制出在未知或变化环境下作业的全自主式机器人尚不可能, 在上述的大部分环境中, 仍需要人的参与, 借助于人的智能和经验来完成复杂环境下的作业。

• 遥控作业机器人有5部分组成：操作者、主机器人、通信环节、从机器人及环境。
• 由操作者向主机器人发出操作命令（如位置命令）操作主机器人运动，主机器人的运动信息通过通信环节传给远地的从机器人，从而控制从机器人的运动；
• 当从机械手同环境接触时，从机械手所受到的接触力又通过通信环节传给本地主机器人，使主机器人感受到远端的接触力，从而能够更好地完成一些较为精细的作业。
力觉临场感
• 力觉临场感是临场感技术的主要研究内容, 是指将远地从机械手与环境的相互作用力通过传感器实时反馈到本地操作者处, 使操作者产生身临其境的感受, 从而实现对机械手带力感觉的控制。它是遥控作业机器人完成接触性任务的保证。
• 理想的力觉临场感系统能使操作者产生直接触摸、移动、挤压远地环境目标物体的感觉, 就好像在工作现场一样。
• 在没有力反馈的遥控操作系统中, 机器人严格按照操作者的指令运动, 机械手的实际位置与指令位置的误差会带来较大的不必要的接触力和力矩。因此这种系统很难保证机械手的安全和可靠性。而力觉临场感系统则完全克服了这些缺点, 具有极大的灵活性和极高的效率。
• 试验表明, 好的力觉反馈可以使人在有或无视觉反馈的情况下执行远地的任务,且性能优于没有力觉反馈的情况, 若只给操作者视觉反馈而不提供力觉反馈, 操作者的操作性能就会受到很大限制, 研究表明提供力反馈可以使完成任务的时间减少40% 。
控制结构

系统的稳定性
• 1993年Lawarence总结了目前出现的控制结构提出了通用双向力反射结构, 据此分析了系统的稳定性和透明性, 指出临场感系统的透明性和鲁棒稳定性是两个相互抵触的指标。
• 时延影响: 在空间和水下这种远距离作业中, 本地操作者和远地机器人之间的通信时延已成为影响临场感作业机器人系统正常工作的突出问题。
时延问题
• 时延造成了力觉临场感机器人系统的不稳定性和透明性降低。对于所设计的控制系统，如果能减小或消除时延对系统的影响，在满足系统稳定的前提下，可以极大地增强系统的可操作性，提高操作性能。
• 减小( 消除) 时延影响的办法之一是采用预测技术, 根据当前的信息和历史信息预测未来的输出, 目前将预测控制技术应用于时延力觉临场感系统的研究正在开展之中。
虚拟现实技术的注入
• 虚拟现实技术通过在主机器人控制站建立虚拟环境和虚拟从机器人,操作者操纵主机器人一方面控制虚拟从机器人(与虚拟环境接触, 并实时感受其相互作用力);另一方面通过时延环节控制远地从机器人(与环境接触) 。若虚拟环境和虚拟从机器人等效于实际的远地环境和从机器人,则操作者实时地操作虚拟从机器人和虚拟环境接触就等同于操作者延时地操纵从机器人同真实远地环境接触,就可完全消除时延对系统的影响
• 1997 年Tsumaki指出: 基于虚拟现实的遥操作中, 尽管力反馈与时延无关, 但依赖于模型的精度, 从而设计了一套对建模误差具有鲁棒性的遥操作系统。
• 遥控作业机器人虚拟现实技术发展到现在, 迫切需要解决虚拟现实( 机器人和环境) 的建模问题, 使操作者能够处于真实的虚拟环境之中, 从而真正实现透明临场感。
• 控制技术是力觉临场感遥控作业机器人研究中的关键技术之一, 特别是在通信时延存在下,如何实现系统的稳定性控制和透明控制是亟待解决的难题。由于临场感技术是一个涉及传感技术、控制技术、机构学、计算机技术、通信技术等各学科的高技术,因此所需要解决的技术问题也是很多的。