具有时延的遥操作机器人系统稳定性与透明性研究.PDF

第２６卷第６期 江苏科技大学学报（自然科学版） Ｖｏｌ．２６Ｎｏ．６ ２０１２年１２月 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｄｅｃ．２０１２ 具有时延的遥操作机器人系统稳定性与透明性研究 曾庆军，刘海霞，赵呈涛 （江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江２１２００３） 摘　要：针对遥操作机器人系统通信时延引起系统不稳定以及性能下降等问题，将系统描述成一个具有时延的状态方程， 通过构造适当的李雅普诺夫函数，分析了时延下系统处于约束运动状态下的稳定性，并得到系统的稳定性条件．此外，通过 建立系统的等效电路图，研究了一种采用阻抗匹配方法分析系统在有时延和无时延情况下透明性的新方法．仿真实验结果 表明该方法的有效性，时延下的系统在保证稳定的基础上实现了良好的透明性． 关键词：遥操作机器人；稳定性；透明性；时延 中图分类号：ＴＰ２４１．３　　　　　文献标志码：Ａ　　　　　文章编号：１６７３－４８０７（２０１２）０６－０５８１－０６ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙｓｔｕｄｙｆｏｒｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｉｍｅｄｅｌａｙ ＺｅｎｇＱｉｎｇｊｕｎ，ＬｉｕＨａｉｘｉａ，ＺｈａｏＣｈｅｎｇｔａｏ （ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＺｈｅｎｊｉａｎｇＪｉａｎｇｓｕ２１２００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｔｈａｔｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｉｍｅｄｅｌａｙｕｓｕａｌｌｙｃａｕｓｅｓｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｂａｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｗｅｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍａｓａｓｔａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｉｍｅｄｅｌａｙ．Ｔｈｅｎ ｗｅａｄｏｐｔａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅＬｙａｐｕｎｏｖｆｕｎｃｔｉｏｎｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ′ｓｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｍｏｔｉｏｎｗｉｔｈｔｉｍｅｄｅｌａｙ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｄｉａｇｒａｍｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄ ｓｔｕｄｙａｎｏｖｅｌｍｅｔｈｏｄｏｆｉｍｐｅｄａｎｃｅｍａｔｃｈｉｎｇｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ′ｓｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙｗｉｔｈ／ｗｉｔｈｏｕｔｔｉｍｅｄｅｌａｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄａｎｄｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ；ｓｔａｂｉｌｉｔｙ；ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｃｙ；ｔｉｍｅｄｅｌａｙ 　　遥操作机器人是指在人的操纵下能在远距离， 系统的稳定性和透明性是相互制约的，因此，设计 人很难接近或操作有难度的环境中完成比较精细 的控制器必须是稳定性和透明性的折衷［４－５］． 复杂任务的一种远距离操作系统．它拓展了人类的 文中针对遥操作机器人系统中存在的通信时 作业空间，在医疗、微生物、微机械等领域都有广泛 延，将系统描述成一个具有时延的状态方程，通过 ［１］ 应用前景 ．然而，基于网络的遥操作机器人系统 构造适当的李雅普诺夫函数，分析了时延系统处于 在实际应用中受到很多不确定因素的影响，诸如网 约束运动状态下的稳定性，然后给出了系统的等效 络带宽和网络传输协议的局限性，以及主从机械手 电路图，采用阻抗匹配的方法分析了系统在有时延 及环境建模的误差，其信号传输时延不仅大而且时 和无时延两种情况下的透明性．仿真实验结果表明 延大小通常具有随机性，同时还会出现数据丢失、 该方法使时延系统在保证稳定的