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目 录

摘要 ................................................................................................................................................. 3 英文摘要 ........................................................................................................................................ 4 符号表 ............................................................................................................................................. 4 第一章 绪论 ................................................................................................................................. 4

1.1引言................................................................................................................... 4 1.2课题背景（研究意义）................................................................................... 4 1.3存在的问题....................................................................................................... 4 1.4遥操作机器人系统的研究概况....................................................................... 4

1.4.1预见控制................................................................................................. 4 1.4.2遥规划..................................................................................................... 4 1.4.3双边控制................................................................................................. 4 1.4.4 Internet环境下遥操作系统的研究概况 ............................................... 5 1.4.5各种方法的比较..................................................................................... 5 1.5本文的主要工作............................................................................................... 5 第二章 预备知识 ........................................................................................................................ 5

2.1遥操作机器人系统........................................................................................... 6

2.1.1遥操作机器人系统的基本结构............................................................. 6 2.1.2具有力觉临场感的位置－力反馈控制系统结构................................. 6 2.1.3系统稳定性描述（重点）..................................................................... 6 2.1.4系统透明性描述（重点）..................................................................... 6 2.1.5系统鲁棒性描述（重点）..................................................................... 6 2.2不确定系统的H∞控制问题 ............................................................................. 6

2.2.1H∞控制原理.............................................................................................. 7 2.2.2Nyquist稳定判据 .................................................................................... 7 2.2.3小增益定理............................................................................................. 7 2.2.4不确定系统的鲁棒稳定性..................................................................... 7 2.2.5不确定系统的鲁棒性能问题................................................................. 7

2.3 内模控制.......................................................................................................... 7

2.3.1内模控制原理......................................................................................... 7 2.3.2内模控制的优势..................................................................................... 7 2.3.3内模控制的缺点..................................................................................... 7 2.4Internet网络特性 .............................................................................................. 7

2.4.1通讯协议对网络时延的影响................................................................. 8 2.4.2传输距离对网络时延的影响................................................................. 8 2.4.3时间段对网络时延的影响..................................................................... 8 2.4.4数据量大小对网络时延的影响............................................................. 8 2.4.5Internet网络的包交换策略及丢包问题 ................................................ 8 2.4.5网络测试实例......................................................................................... 8 2.5控制问题的系统描述....................................................................................... 8 第三章 固定时延连续力觉临场感遥操作系统的研究 .................................................... 8

3.1引言................................................................................................................... 9 3.2问题的描述....................................................................................................... 9 3.3基于内模结构的定时延遥操作控制............................................................... 9

3.3.1控制系统结构......................................................................................... 9 3.3.2控制器设计............................................................................................. 9 3.4仿真结果........................................................................................................... 9 3.5本章小节........................................................................................................... 9 第四章变时延连续力觉临场感遥操作系统的研究 ........................................................... 9

4.1引言................................................................................................................. 10 4.2问题的描述..................................................................................................... 10 4.3基于内模结构的变时延遥操作控制............................................................. 10

4.3.1变化时延在控制结构中的处理........................................................... 10 4.3.2控制器设计（重点）........................................................................... 10 4.4仿真结果......................................................................................................... 10 4.5本章小节......................................................................................................... 10 第五章 基于Internet的力觉临场感遥操作系统研究 .................................................... 10

5.1引言................................................................................................................. 11 5.2具内模结构的力觉临场感遥操作系统的离散化......................................... 11 5.3包交换Internet传输策略对遥操作系统性能的影响 .................................. 11 5.4主要结果......................................................................................................... 11 5.5仿真结果......................................................................................................... 11 5.6本章小节......................................................................................................... 11 第六章结论 .................................................................................................................................. 11

基于Internet的遥操作机器人时延控制研究

摘要

遥操作系统通讯时延严重影响系统特别是力觉临场感遥操作系统的稳定性和透明性，为了解决这个问题，为具有力觉临场感的力反馈系统建立了内模控制结构，设计两端控制器分别实现主从机械手的速度和力的跟踪和稳定性条件，从而兼顾系统在时延下的稳定与透明。针对变时延系统，采用鲁棒控制，将在一定范围内变化的传输时延看作被控对象参数的不确定（摄动），运用H∞最优控制理论确定鲁棒反馈控制器参数的取值范围，以实现系统在一定范围变化时延下的鲁棒稳定性和主从机械手力的鲁棒跟踪性能。通过对Internet进行的网络测试，分析Internet网络性能，在传输控制两端加入算法规范随机时延、丢包、抖动，使得网络控制系统满足上述变时延控制方法可处理系统的条件，将上述变时延控制系统应用到以Internet为传输媒介的遥操作控制中，以系统在Internet网络时延环境下依然保持良好的稳定性和透明性。整个控制系统具有内模结构，双控制器设计，没个控制器分别有一个控制参数，参数数量少且相关度低，依照某种性能进行选取的灵活性强。借助内模控制结构的特殊性，以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行，降低了控制器设计的复杂度。此外，系统的内部模型、反馈控制器都在主端实现，简化了从端设备，提高了系统的可靠性。

遥操作机器人系统应用在空间计划、海底探测时，环境模型往往是变化的，而系统性能与环境模型息息相关。这时，普通的内模控制结构便无法达到预期的控制目的。可以考虑使用自适应内模控制[10]，当被控对象模型变化或不确定时，