【精品毕设】遥操作机器人理论

摘要

摘要

随着探索领域的不断拓展，人类对机器人的需求越来越大。当需要在一些人类难以到达或者危险的环境中完成复杂任务时，普通机器人往往难以胜任，这时遥操作机器人就应运而生。遥操作机器人是机器人学与通信技术、控制理论等融合的产物。它将人类的指导和机器自身的智能相结合，有效拓展了人类的活动空间，延伸了人类的能力，有广泛的应用前景。

本文主要研究遥操作机器人的时延控制问题。首先，简要介绍了遥操作机器人的发展和现状，介绍了二端口网络理论，并为遥操作机器人建立了二端口网络模型。然后，基于遥操作机器人的二端口网络模型，分析了时延对遥操作机器人控制效果的不利影响，以及产生这些不利影响的原因。接着，运用无源控制理论中的波变量方法，设计遥操作机器人系统的控制算法。最后，运用Matlab软件对控制算法进行仿真模拟。

关键词：机器人遥操作二端口无源控制

ABSTRACT

ABSTRACT

With the exploration of the area continues to expand, the human demand on the robot is more and more big. When the need in some human inaccessible or dangerous environment to perform complex tasks, often difficult to do ordinary robot, teleoperation will emerge as the times require. Teleoperation is a fusion of robotics, communication technology and control theory. Teleoperation which combines human supervisor and machine intelligence effectively expands the space of human activity and extends human capability, so it has extensive application prospects.

This paper mainly studies the control of time delay teleoperation. Firstly, this paper briefly describes the development status of the teleoperation and two-port network theory and builds a two-port network model for teleoperation. Secondly, based on the two-port network model of teleoperation, an analysis which is related to the adverse effect of the time delay in teleoperation control and the causes of these adverse effects is made. What's more, using wave variable method of the passive control theory, control algorithm off teleoperation is designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm.

Keywords: robotics teleoperation two-port network passive control

基于VR的机器人遥操作系统及其遥操作方法与相关技术

一种基于VR的机器人遥操作系统及其遥操作方法，所述系统包括作业机器人、摄像装置、VR头显装置、机器人规划装置、遥控装置和后台服务器，所述方法包括以下步骤：S1、构建虚拟机器人和VR虚拟场景；S2、利用摄像装置实时获取作业环境与作业对象的视频影像；S3、将视频影像与VR虚拟场景同步叠加；S4、在虚拟场景中对虚拟机器人进行动作规划；S5、控制作业机器人执行动作；S6、根据传感器数据修正机器人动作； S7、存储步骤S4、S5、S6的日志数据并进行深度学习。本技术系统及方法具有更高的灵活性、安全性和精准度，能够代替人工进行带电作业，实现带电作业智能化，提升带电作业的效率，降低相关操作人员的人身风险。 权利要求书 1.一种基于VR的机器人遥操作系统，其特征在于，包括： 作业机器人，用于在作业环境中执行动作指令并将执行结果传送给上位机，所述上位机包括VR头显装置和机器人规划装置； 摄像装置，用于采集作业环境和作业对象的影像，并将采集的影像传送给VR头显装置； VR头显装置，用于根据作业机器人和摄像装置采集的影像实时生成虚拟机器人和虚拟场景，所述虚拟场景与作业环境完全相同； 机器人规划装置，用于在虚拟环境中对虚拟机器人进行动作规划，生成动作指令或动作指令集； 遥控装置，用于发送动作指令或动作指令集到作业机器人，控制作业机器人执行动作； 后台服务器，用于存储机器人动作规划、动作执行生成的日志数据，并根据所述日志数据进行深度学习。 2.根据权利要求1所述的一种基于VR的机器人遥操作系统，其特征在于，所述作业机器人包括带电作业车和至少两个机械手臂，机械手臂安装在所述带电作业车上，所述摄像装置通过连接件安装在带电作业车顶部。 3.根据权利要求2所述的一种基于VR的机器人遥操作系统，其特征在于，所述作业机器人还包括力传感器、触觉传感器和距离传感器，所述力传感 器、触觉传感器和距离传感器安装在所述机械手臂上。

毕业设计开题报告遥操作机器人的时延控制

毕业设计开题报告遥操作机器人的时延控制 日期：2012年1月13日

一、课题研究背景 1.1、遥操作机器人系统概述 遥操作机器人系统由操作者、主端机器人子系统、通信环节、从端机器人子系统和工作环境组成。操作者指令通过主端机器人、通信环节和从端机器人作用于环境，对环境的感知信息则经过上述环节返回到主端操作者，使主端操作者有身临其境的感觉，从而有效完成操作任务。遥操作系统能将人所在的主端的命令和行为传到并作用在远端，实现对远端环境的期望的操作和控制，从而极大地提高操作者的安全性和工作效率，节俭成本，更高效合理地利用人力资源，实现多方协调作业等[1]。 最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上[2],由于电磁波传播速度及信号收发处理方面等的局限性，遥操作系统往往存在比较大的时延。这些时延会给系统的知觉感受和操作性能带来极大影响[3]，于是在原有遥操作系统上，就逐步增加了力反馈信号。然而，这虽然提高了遥操作系统的操作性能，但是由于时延的存在，系统的稳定性受到了影响。因此，控制器的设计除了要保证系统的稳定性外，还要克服时延的影响。 1.2、遥操作机器人的研究意义 遥操作不同于遥控，它在人控制远方机器人的同时，又必须得到机器人在“知觉”上的反馈。实现机器人在“知觉”上反馈的办法，就是使用临场感技术。临场感技术是以人为中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息（包括视觉、力觉、触觉、听觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者（人）处，生成和远地环境一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务[4]。事实上，在应用了临场感技术的遥操作机器人系统中，对于操作者来说，意味着他将“沉浸”在远地环境中。这样，遥操作机器人系统就可以代替人类完成远程环境和危险环境下的任务，保护人类的安全。在空间探索中，它可以完成卫星修理，空间站维护，月球、火星等行星的勘探等任务；在海洋开发中，它可以完成海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等任务；在军事领域，它可以完成战场调查、防化、扫雷、救护等任务；在民用领域，它可以完成核电站维修、远程医疗、远程教育、远程科学实验等任务。总之，遥操作机器人的应用使人摆脱了传统操作者的角色，

项目名称人机交互力反馈遥操作机器人关键技术及应用

项目名称：人机交互力反馈遥操作机器人关键技术及应用 完成人：宋爱国，宋光明，李会军，唐鸿儒，崔建伟，赵国普，徐宝国，吴涓，李建清，卢伟，包加桐 完成单位：东南大学，扬州大学 项目简介： 人机交互力反馈遥操作机器人系统将人的知识智慧与机器人的适应性相结合，通过人与机器人之间传感与控制信息的交互，可以实现各种远地环境或危险环境中的复杂作业任务，是当前各发达国家竞相发展的高技术。随着人机交互遥操作机器人在远程作业、远程监控、远程制造、远程医疗等领域的应用，迫切需要解决多个技术难题与技术瓶颈。本项目针对人机交互力反馈遥操作机器人的力感知、力反馈、大时延控制和人机交互界面设计等关键技术，经过十多年系统深入的研究，突破了多项核心技术，研制成功人机交互遥操作的关键支撑设备，填补了国内空白，并在多个重要领域得到成功应用。 本项目的技术创新点：（1）提出了一种自解耦的机器人多维力传感器的敏感单元设计方法，从传感器的结构设计上有效降低了多维力传感器的维间耦合效应；提出了一种基于误差建模的多维力传感器解耦算法，提高了多维力传感器的测量精度，测量精度可达1%F.S.。（2）提出了一种基于磁流变液控制的无源力觉再现方法，解决了大量程力反馈人机交互设备的体积大、惯性大与不安全问题，实现了大量程安全柔性的力触觉人机交互。提出了一种基于并联机构的异构式机器人力反馈手控器设计方法，解决了力反馈手控器三维平动和三维转动之间运动与力的耦合问题，六维运动位置测量精度达1%F.S.，力反馈精度达2%F.S.。（3）针对人机交互力反馈遥操作机器人在双边通讯环节上存在的短时延（≤2 秒）造成的不稳定问题，提出了力反馈遥操作机器人的多模式控制技术和自适应阻抗匹配无源控制算法，解决了短时延情况下力反馈遥操作机器人的稳定性和操作性问题；针对人机交互力反馈遥操作机器人在双边通讯环节上存在的大时延（>2 秒）造成的不稳定难题，提出了基于虚拟环境建模的力反馈遥操作机器人预测控制技术，给出了基于滑动最小二乘法的环境动力学参数在线辨识算法和模型滚动修正方法，解决了大时延情况下力反馈遥操作机器人稳定性和操作性问题。（4）提出了以提高人的感知能力为目标的交互式力反馈遥操作机器人的多感知界面设计方法，并针对人机交互界面力触觉感知与视觉感知的协调同步问题，提出了一种分布式力触觉交互的快速计算算法和无源稳定性判据，实现了多感知通道人机交互方式下具有力觉临场感的遥操作。 本项目获国家发明专利授权33项；获实用新型专利授权5项；获计算机软件著作权2项。发表论文186，其中SCI收录65篇，EI收录107篇，论文被他人引用1200多次，其中SCI他引375次，并在国际遥控机器人会议上作大会特邀报告。本项目相关成果曾获2010年国家知识产权局中国专利优秀奖、2012年与2013年日内瓦国际发明金奖等。

遥操作机器人的时延控制毕业设计开题报告

毕业设计开题报告遥操作机器人的时延控制

一、课题研究背景 1.1、遥操作机器人系统概述 遥操作机器人系统由操作者、主端机器人子系统、通信环节、从端机器人子系统和工作环境组成。操作者指令通过主端机器人、通信环节和从端机器人作用于环境，对环境的感知信息则经过上述环节返回到主端操作者，使主端操作者有身临其境的感觉，从而有效完成操作任务。遥操作系统能将人所在的主端的命令和行为传到并作用在远端，实现对远端环境的期望的操作和控制，从而极大地提高操作者的安全性和工作效率，节俭成本，更高效合理地利用人力资源，实现多方协调作业等[1]。 最早的遥操作系统用于地面平台对太空设备的控制上[2],由于电磁波传播速度及信号收发处理方面等的局限性，遥操作系统往往存在比较大的时延。这些时延会给系统的知觉感受和操作性能带来极大影响[3]，于是在原有遥操作系统上，就逐步增加了力反馈信号。然而，这虽然提高了遥操作系统的操作性能，但是由于时延的存在，系统的稳定性受到了影响。因此，控制器的设计除了要保证系统的稳定性外，还要克服时延的影响。 1.2、遥操作机器人的研究意义 遥操作不同于遥控，它在人控制远方机器人的同时，又必须得到机器人在“知觉”上的反馈。实现机器人在“知觉”上反馈的办法，就是使用临场感技术。临场感技术是以人为中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息<包括视觉、力觉、触觉、听

觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者<人）处，生成和远地环境一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务[4]。事实上，在应用了临场感技术的遥操作机器人系统中，对于操作者来说，意味着他将“沉浸”在远地环境中。这样，遥操作机器人系统就可以代替人类完成远程环境和危险环境下的任务，保护人类的安全。在空间探索中，它可以完成卫星修理，空间站维护，月球、火星等行星的勘探等任务；在海洋开发中，它可以完成海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等任务；在军事领域，它可以完成战场调查、防化、扫雷、救护等任务；在民用领域，它可以完成核电站维修、远程医疗、远程教育、远程科学实验等任务。总之，遥操作机器人的应用使人摆脱了传统操作者的角色，由直接操作变成了遥操作。 二、国内外研究状况 2.1、遥操作机器人发展历程 上个世纪四十年代，Fermi领导他的团队在 Argonne 国家实验室进行核实验，由于核材料放射性强，对人体危害大，为解决核废料的处理问题。1948 年，世界第一个遥操作系统由 Goertz 在国家实验室研制成功。1954 年，Goertz 设计了第一台电子程序可编的工业机器人是一个带伺服反馈的机电遥操作系统[5]，由操作者对车辆进行远程控制，操作性能得到很大改善。后来从动力学和运动学

一种遥操作移动机器人的研究与实现

科学技术与工程 ５卷 一种遥操作移动机器人的研究与实现 彭一准 原 魁 周庆瑞 （中国科学院自动化研究所，北京１０００８１；ｙｉｚｈｕｎ．ｐｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉａ．ａｃ．ｃｎ） 摘要移动机器人在工业制造、国防以及服务行业具有广阔的应用前景。由于环境感知、自主定位与导航等技术瓶颈的存在， 完全自主移动机器人在目前还难以走向实用。采用遥操作控制，能有效地解决上述问题。对遥操作移动机器人的体系结构、环境信息感知、通讯方式、导航与控制进行了阐述，在此基础上提出的基于局域网的遥操作移动机器人具体实例，既可在危险环境下执行任务，也可用于社区保安巡逻。关键词 移动机器人 遥操作 体系结构 控制Ａｇｅｎｔ 视觉导航 中图分类号 ＴＰ８７２；文献标识码Ａ ２００５年４月３０日收到国家“８６３”计划项目（２００１ＡＡ４２２２００）资助 第一作者简介：彭一准，中科院自动化所，博士生，研究方向：移动机器人的遥操作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｚｈｕｎ．ｐｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉａ．ａｃ．ｃｎ。 第５卷第１６期２００５年８月 １６７１－１８１５（２００５）１６－１１６２－０５科学技术与工程 ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．５Ｎｏ．１６Ａｕｇ．２００５ ２００５Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．ｃ 遥操作机器人作为机器人的一个重要分支［１］ ，一直受到许多研究机构和研究人员的关注和重视。在危险环境下和人类难以到达的地方，如核辐射环境、战场侦察、星际探索［２］等，遥操作机器人能完成人类自 身不易完成或不能完成的工作［１］ 。在服务领域，如远 程医疗、博物馆导游、社区巡逻等，遥操作机器人能更好地利用资源，便利人们的生活，减少人力的付出。 当前遥操作机器人的研究与应用主要集中在空 间技术领域［３，４］，以及基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的遥操作研究［５，６］。 本文提出的基于Ｉｎｔｒａｎｅｔ的遥操作移动机器人主要以实现移动机器人的实际应用为目的；在物理空间上实现人类感知能力和行为能力的延伸；在信息层次上将远端的移动机器人与操作人员连接在一个闭环回路里，实时地控制远端移动机器人的运动，以最大限度地利用远近端的设备、资源和遥操作者的智力、经验，从而实现资源最佳配置，完成特定的任务；既能在现实环境中完成具体的任务，也可以为遥操作和移动机器人的研究提供试验平台。 １ 遥操作移动机器人的体系结构 １．１ 系统的功能 遥操移动机器人的主要目的是通过操作者和 移动机器人的合作，使操作者远离操作现场，参与和完成现场的活动。因此遥操作移动机器人系统须具备以下功能：位于操作端的操作者能实时地知道移动机器人端的环境信息、任务进展情况以及移动机器人本体的状态信息，远端的移动机器人须具备快捷响应遥操作者所下达的控制指令的能力。 １．２系统的逻辑结构 为了使系统满足上述功能，并确定系统功能的 划分以及功能之间的关系，本文所述遥操作机器人系统的逻辑结构如图１所示。由图１可以看出，整个系统在逻辑上可以分为人机界面、远程通讯模块、移动机器人控制和环境信息获取。在遥操作移动机器人系统中，实现操作者监视、控制遥操作移动机器人的功能模块是人机界面。内容丰富、操作方便的人机界面对整个系统的性能至关重要，该模块的主要功能是从远程通讯模块接收远端的环境信息和移动机器人的状态信息，并通过远程通讯模块向远端发送操作者下达的控制命令。远程通讯模块的功能是在遥操作端和移动机器人端传送控制命令和反馈信息，对于该模块的主要要求是要有足够的通讯带宽和稳定的通讯质量。移动机器人控制模块用于执行来自远程通讯模块的控制命令，并上传移动机器人的状态参数；与此同时，控制模块还要求能够根据传感器检测到的环境信息，使移动机器人产生一定的自主行为。环境信息获取模块主要是通过传感器感知环境，并对传感器数据进行适当

仪科概论 遥操作机器人

遥操作机器人 —— 机器人遥操作是指操作人员监视和控制远方机器人完成各种作业，从而使机器人能够代替人类在一些无法触及的、甚至一些危机人类健康或生命安全的环境下完成各种任务。机器人遥操作系统亦是在各种危机人类健康或生命安全的环境的存在的背景下产生的。 遥操作机器人涵盖了许多种类，亦是涉及了各种领域。在仪器科学与技术概论的第一堂相关课上我们听老师讲解了一些有关的遥操作机器人，在下一堂课我们则以小组的形式利用PPT展示我们感兴趣的某些遥操作机器人的各个方面。各个小组展示出来的遥操作机器人都很有特色，除了我们小组介绍的机器人之外我印象比较深的则是水下机器人和军事机器人。 水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆避控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。关于水下机器人的优点、缺点，同学也给出了相关介绍。1.优点：水下机器人可在高度危险环境、被污染环境以及零可见度的水域代替人工在水下长时间作业，水下机器人上一般配备声呐系统、摄像机、照明灯和机械臂等装置，能提供实时视频、声呐图像，机械臂能抓起重物，水下机器人在石油开发、海事执法取证、科学研究和军事等领域得到广泛应用。2.缺点：由于

水下机器人运行的环境复杂，水声信号的噪声大，而各种水声传感器普遍存在精度较差、跳变频繁的缺点，因此水下机器人运动控制系统中，滤波技术显得极为重要。水下机器人运动控制中普遍采用的位置传感器为短基线或长基线水声定位系统，速度传感器为多普勒速度计会影响水声定位系统精度。因素主要包括声速误差、应答器响应时间的丈量误差、应答器位置即间距的校正误差。而影响多普勒速度计精度的因素主要包括声速c、海水中的介质物理化学特性、运载器的颠簸等。水下机器人发展不算早，可分为三个阶段，第一阶段要从1953年算起。从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘无人遥控潜水器。特别是1974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。无人有缆潜水器的研制80年代进入了较快的发展时期，也就是第二阶段。1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90%以上是直接；或间接为海洋石油开采业服务的。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。1985年，潜水器又进入一个新的发展时期，即第三阶段。80年代以来，中国也

【精品毕设】遥操作机器人理论

摘要 摘要 随着探索领域的不断拓展，人类对机器人的需求越来越大。当需要在一些人类难以到达或者危险的环境中完成复杂任务时，普通机器人往往难以胜任，这时遥操作机器人就应运而生。遥操作机器人是机器人学与通信技术、控制理论等融合的产物。它将人类的指导和机器自身的智能相结合，有效拓展了人类的活动空间，延伸了人类的能力，有广泛的应用前景。 本文主要研究遥操作机器人的时延控制问题。首先，简要介绍了遥操作机器人的发展和现状，介绍了二端口网络理论，并为遥操作机器人建立了二端口网络模型。然后，基于遥操作机器人的二端口网络模型，分析了时延对遥操作机器人控制效果的不利影响，以及产生这些不利影响的原因。接着，运用无源控制理论中的波变量方法，设计遥操作机器人系统的控制算法。最后，运用Matlab软件对控制算法进行仿真模拟。 关键词：机器人遥操作二端口无源控制

ABSTRACT ABSTRACT With the exploration of the area continues to expand, the human demand on the robot is more and more big. When the need in some human inaccessible or dangerous environment to perform complex tasks, often difficult to do ordinary robot, teleoperation will emerge as the times require. Teleoperation is a fusion of robotics, communication technology and control theory. Teleoperation which combines human supervisor and machine intelligence effectively expands the space of human activity and extends human capability, so it has extensive application prospects. This paper mainly studies the control of time delay teleoperation. Firstly, this paper briefly describes the development status of the teleoperation and two-port network theory and builds a two-port network model for teleoperation. Secondly, based on the two-port network model of teleoperation, an analysis which is related to the adverse effect of the time delay in teleoperation control and the causes of these adverse effects is made. What's more, using wave variable method of the passive control theory, control algorithm off teleoperation is designed. Finally, Matlab is used to simulate the control algorithm. Keywords: robotics teleoperation two-port network passive control