機器人遙操作是實現有害或危險環境下作業的有力手段,是遙科學系統的重要組成部分。它研究的主要內容是人類與機器人如何合作,使人類能在遠離活動現場的地點,完成和參與現場活動,使人類能夠遠離那些不利于、不允許人類在其中生存和工作的環境,遠距離地完成和參與在那些環境中進行的活動。
機器人遙操作系統的最大問題是信息傳輸過程中的不確定延時,亂序丟包等,從而給系統的穩定性,可靠性造成很大的影響。從遠程控制的體系結構方面關于機器人遙操作的研究成果可分為三類:預測顯示/控制、雙向控制和遙編程。這些方法在很大的程度上解決了機器人遙操作系統最初所提出來的任務。然而,隨著應用的不斷深入人們發現:現有的技術遠遠不能滿足現實的需要。其中最突出的問題是:當機器人處于動態的非結構環境中的時候,由于很難對機器人現場進行建模,再加上原有的問題使得遙操作的效果很不理想。為此,人們提出了許多思路。例如基于行為的控制方法,基于事件的方法,混雜控制方法等。其中基于事件的方法由于采用了非時間基的時鐘來推動整個系統的運動,從而巧妙地繞開了信息傳輸的不確定時延并保證了系統的穩定性。基于行為的控制方法則針對不同的機器人行為定義與其對應的傳感信息輸入,并制定了相應的控制律。這種方法能夠使機器人靈活地對變化的環境作出反映。混雜控制則是在基于行為的控制方法的基礎上既考慮了動態的非結構環境也考慮了在完成任務的基礎上系統的性能指標的方法。
本文在基于事件控制的基礎上,采用混雜系統既需要對―究對象!觀信息進行把握同時端她能則稱服中的變遷集合在//態下狀態使bookmark3的狀態反饋控制綜合來提高原有遙操作系統的機器人反應行為。
2基于事件控制的遙操作(event基于事件的規劃與控制是由談自忠和席寧于1993年前后提出的。最初是用于多機器人協作,最近又應用于遙操作和網絡機器人控制。其理論的基本點在于引入一個不同于時間的新運動參變量,該變量隨控制過程的進行而更新,實時的傳感信息是這種更新的依據。系統的理想輸出是此參量的函數,在系統運行過程中,通過規劃器實時修正系統的目標輸出值,使得系統運動規劃過程成為實時過程,具有了自適應的特性,更利于得到優良控制效果。
對于引入遙操作系統中的基于事件控制,由于選取的新運動參量為時間t的非減函數從而巧妙地避開了變化時延。因為在遙操作中這種控制與規劃思想的表現是“走走停停”,機器人在沒有獲得操作者的下一個指令之前,一直處于靜止狀態。它實際上假定機器人的靜止代表著其運行的環境也不發生改變。然而,隨著應用的不斷拓廣,要求機器人在動態變化的,非結構環境下完成特定任務越來越多,這種條件下原有的基于事件遙操作顯然不能滿足需要。
3.1混雜系統隨著人們對客觀世界認識的不斷深入,人們發現原有的對各類系統特別是人造大系統諸如智能高速公路,飛行控制系統,機器人控制等的認識遠遠不能滿足需要。因為原有研究對象是在“純粹”的假設下的模型。即要么是離散的,要么是連續的。(前者表現為自動機,petri網。本文從略。僅討論它的基于事件特性。
在混雜petri網hp中,推進系統前進的時鐘是時間t的非減函數事件e(即e變遷),r+而不是時間t,這樣一來原有系統的所有的關于時間的變量的演化相應地轉到關于事件的變量演化了。
有了上述說明,我們定義基于事件的混雜petri網為ehp.在ehp上增加表示外部控制輸入的控制庫所(圖示中用小方框表示)和連接控制庫所與變遷的有向弧,便構成了受控基于事件的混雜petri網模型ccehp)連接控制庫所和變遷的有向弧集合。cehp的狀態是指其狀態庫所的狀態,也就是構成cehp的ehp的狀態。
某變遷的輸入庫所中如果至少包含一個控制庫所,稱之為可控變遷;所有可控變遷構成的集合稱為可控變遷集合。記為tc=t,tc=3戶c,(pt)c.不屬于tc的變遷構成了不可控變遷集合t=ttc.不可控變遷不能通過控制行為禁止。
狀態s=(m,x)下,變遷集合t在ehp中使機器人能。
1,稱變遷t在控制下控制使能。控制使能。cehp中的變遷集合t在控制u下,如果vt6都控制使能,則稱變遷集合t!在控制u下控制使能。
t,如果在狀態s=(m,x)和控制u下,同時為狀態使能和控制使能時,稱變遷集合t!在狀態s和控制u下使能,定義4:我們定義那些只要使能就觸發的變遷為強迫變遷tfor.(,s)表示定義1和定義2其中s是狀態集x中的任意狀態。
義本節內容是在基于事件方向上的推廣。
4.1狀態反饋:u構成閉環系統h,其中/是定義在狀態集x上的全函數。
態s下狀態使能,在控制/(s)下控制使能,則稱變遷集合t!在狀態s下使能。
用/(s)代替§中的外部控制輸入u就構成了狀態轉移函數s:2tuexlx4.2極大不變謂詞定義6:給定的一個函數到集合0,1上的一個映射。定義在狀態集x上的全部謂詞構成的集合記為i.則稱q是(t,e,t/r)不變的。
(wpt(q)和wlpt(q)分別是謂詞q在變遷t下的最弱預條件和最弱自由預條件。相關的定義請變謂詞是一定存在的。可以通過上述定義7的公式迭代求出。所求出的這個最終的(tu,e,t/r)不變謂詞就是所要求的極大不變謂詞。定義該極大不變謂詞與系統的輸入函數等價,則構成極大不變謂詞的狀態反饋函數。
f2是操作者做出的決策所施加的力,d!1是該決策對應的期望距離值。d1是經過檢測的合法的期望距離值。d2是實際的處于領先的機器人與障礙物之間的距離值,d3表示兩個障礙物的先后關系。f1是實際距離值對應的反作用力。t是控制小車運動的命令。
方框filter是專門用來對用戶的命令進行檢查的,以防止“不安全”的命令。為了驗證我們的想法,我們設計了如下的實驗:操作者通過游戲桿(經過互聯網)發送距離值給機器人。使機器人跟蹤其前方的兩個以變化速度向前運動的障礙物,并與最快的障礙物保持該距離值。同時機器人將它與被跟蹤對象的距離值反饋給游戲桿(經過互聯網)系統方框圖這里,為了便于表示。我們將整個系統分成三部分了,實線部分代表運動的機器人及障礙物系統,是離散部分。petri網各部分表示意義如下:的機器人,t1:接收到機器人與障礙物之間的實際距離。t2:游戲桿表現的反作用力,t3:操作者發出的決策力,t4:將決策力轉換成期望的距離值,t5:檢測操作者的命令是否“安全”,t6:發出命令,t7:決定是否減速,t9:縱向運動(保持距離)t10,t11:開始橫向運動(跟蹤運動快的障礙物),t12,t13:橫向運動結束t14:機器人收集現場信息,t15:將機器人與障礙物之間的距離信息發送出去,t16:障礙物與機器人之間的距離比較,pi,p2:兩個運動的障礙物,p3,p4:跟蹤障礙物的機器人。
圓圈內數字之間是相互對應的。例如:①對應①,從而整個系統構成閉環。
根據這個機器人的混雜pelri網圖,我們就很容易地用謂詞表示我們實驗的要求(要求:動態跟蹤這兩個障礙物中較快的那個,并與之保持操作者所要求的距離)。
其中,c(p)(=12)表示機器人如果以某一運動速度達到對方所需的事件數(用這種事件數表示障礙物與機器人的距離值)。c(p)(=3,4)表示機器人與障礙物之間要保持的距離在某一速度下所需的事件數。
不變時,在整個運動過程中機器人的固有頻率是隨著運動參數的變化而變化的;②機器人在運動的過程中會出現固有頻率明顯下降的可能,因而導致機器人的動態性能變差;③在末端的運動軌跡形狀與運動規律不變的情況下,若初始位形發生改變,則在運動過程中機器人固有頻率的變化規律也將隨之發生改變,因此可以通過改變機器人的初始位形來提高機器人在整個工作過程中的固有頻率。
在結構參數不變的情況下,運動參數對柔性機器人固有頻率的影響變得十分顯著。對于不具有冗余剛性自由度的柔性機器人而言,其運動參數的調整是十分困難的。但在實際應用中,某些機器人在正式投入使用之前,其與工作目標之間的相對位置在一定范圍內是可以調整的,并非不能改變。因此,本文對提高這些初始位形可變的柔性機器人運動狀態下的固有頻率進行了研究,提出了通過規劃機器人的初始位形來適當調整運動參數從而提高系統固有頻率以改善機器人動態性能的方法,并且給出了相應的算法。這種方法可以在機器人投入使用之前離線計算,從而找到一個能使機器人在執行給定任務的過程中具有較好工作性能的初始位形。該方法在實際應用中容易實現,還可以很方便地與現有的各種柔性機器人控制方法相結合,從而起到更好的控制效果。