● 摘要
实世界是人类实际见到、感觉到并生活在其中的自然环境, 是相对于计算机生成的虚拟世界而言的。人类出于认识自然和改造自然的需要使各种感官信息的通信成为现实。在 19-20 世纪, 电话、摄像机和电视的问世使得听觉和视觉的通信成为现实, 极大地扩展了人类认识自然的活动范围, 加速了人类社会的发展。而触觉通信的发展, 将使人类对于认识和改造自然的活动范围不再受到空间距离的限制。从运动控制的角度研究面向实世界的触觉通信, 不仅有其丰富的理论研究价值, 更在核工业、深空探测、深海开发、微创医疗、微操作等领域有着巨大的应用潜力。主-从式机器人系统是从运动学角度实现触觉传递的基础。在合适的控制下, 主-从机器人系统能使人和环境物体之间实现“作用力与反作用力”的传递, 同时还将人的动作传递到环境物体上, 并使环境物体的形变准确地为人所感知。高性能的双向控制方法是实现这一过程的关键。然而, 目前的双向控制方法在许多方面仍有较大的不足, 难以提高触觉传输性能, 限制这一技术的实际应用。本文在“国家建设高水平大学公派研究生项目”、日本文部科学省~G-COE 项目“High-level Global Cooperation for Leading-edge Platform on Access Spaces”和庆应义塾大学先导研究中心“アクセス空間基盤技術国際研究センター”的支持下, 将主从式机器人控制中的关键问题进行剥离, 从不同的角度深入研究, 提出一系列解决问题的思想和方法。论文讨论了单一机器人控制的基本问题、实现触觉传输的机器人系统控制结构、通信延迟的影响等问题, 从而实现高性能的实世界触觉通信系统, 为这一研究课题的进一步实用化提供了丰富的理论和技术储备。具体说明如下：(1) 为解决信号微分问题, 保证各种控制器能够有效地实现, 以非线性跟踪微分器为基础提出了两种微分估计的新结构：从改变微分器方程组结构的角度出发减少实现微分估计时所需的积分计算; 又将控制技术中前馈的思想引入到微分估计算法中, 进一步提高微分估计的快速性。(2) 针对机器人模型不确定性和外界干扰的问题引入了干扰观测器, 并注意到干扰观测器对于高频域干扰难以有效补偿的问题。提出了利用具有快速切换作用的控制量, 与干扰观测器互为辅助, 提高机器人的抗干扰能力的设计思想。并提出了这一结构下滑模控制量中的切换增益的设计方法。(3) 研究了四通道双向控制的设计方法, 实现了高性能触觉传输。并分别从提高机器人抗干扰能力以及改善力信号测量水平的角度出发, 研究提高系统性能的方法。(4) 面向固定通信延迟情况, 利用结构变形研究了基于波变量的二通道双向控制的性能劣势所在和等价实现的可能。并研究了基于通信干扰观测器的四通道双向控制系统的控制器特性。(5) 考虑通信延迟为时变的情况, 面向高性能触觉反馈的需求研究新的双向控制方法, 以拓展系统的适用范围。论文为双向控制的各种实际应用情况提供了充足的理论和技术保障, 可直接应用于现有的核工业、深空或深海遥操作机器人等系统, 在提高遥操作性能的同时实现触觉反馈。此外部分研究成果也可应用于如伺服系统等运动控制领域, 具有较广泛的实用价值。主要研究成果归纳如下：(1) 提出了最小阶非线性跟踪微分估计器和前馈构造非线性跟踪微分估计器这两种新结构。分析与实验证实了新方法与传统方法相比能够提供更快速的微分估计, 并且保留了微分器对噪声的抑制效果。新方法有效提高了机器人控制方法的实际应用效果。(2) 提出了滑模辅助干扰观测器方法。与传统滑模控制方法相比, 新方法更好地解决了抖振的问题; 与传统干扰观测器相比, 新方法能够实现对含有高频分量的干扰的抑制。此外, 本文提出的切换增益定值方法与传统方法相比更为合理。(3) 从提高机器人的抗干扰能力出发, 结合滑模辅助干扰观测器和四通道控制结构, 提高了实际双向控制系统的性能。(4) 从改善力测量水平的角度出发, 提出了反作用力观测器估计误差的在线补偿方法, 提高触觉反馈的效果。(5) 考虑到系统中存在通信延迟的情况, 明确了波变量方法的性能劣势，以及基于通信干扰观测器对于四通道双向控制的影响和系统的稳定性情况。(6) 针对通信延迟为时变的情况, 提出了通道加权双向控制和通道切换双向控制两种新的控制算法。并在技术上实现了有线/无线网络为媒介的触觉传输。