● 摘要
从20世纪末至今，国内外众多学者致力于力觉交互系统的研究工作，并在力觉渲染与交互稳定性的理论和实践应用领域中取得了丰硕成果。相对于完全自主作业的机器人系统，高保真度力觉遥操作机器人系统具有灵活、安全和开发成本低的优势，被广泛应用于核环境操作、远程手术医疗、空天探索等特殊领域。为了实现操作者利用主端机器人控制从端机器人代替人类完成危险环境中的操作任务，遥操作机器人系统需要满足稳定性和透明性的要求，保证操作者的操作体验与在从端环境中直接操作完全相同。然而，遥操作机器人系统自身的非线性、参数不确定性和外部扰动等因素往往导致遥操作过程本身实施难度较大，容易引发主端/从端系统之间的位置跟踪误差，从而导致系统出现不稳定现象。因此，遥操作系统的控制系统设计与实现依然是一项非常具有挑战性和吸引力的问题，得到国内外研究人员的广泛关注。
本文以时延遥操作系统中的稳定性控制器和反馈力仿真预测技术为研究对象，针对遥操作机器人系统参数不确定性、主端/从端环境不确定性和外部干扰等复杂应用场景，以实现力觉交互过程的稳定性和透明性为目标，设计了多种新型稳定性控制方法和透明性增强策略，并利用自主研发的遥操作试验平台对所设计控制器的有效性进行了验证，研究结果对于实现遥操作系统在复杂场景下的高临场感交互具有重要意义。
本文研究内容主要包括：
1. 针对大时延遥操作虚拟力觉交互系统中存在的边效应问题，提出一种利用局部连续曲面实现反馈力连续输出的方法。通过动态构造接触区域，并以此为基础计算局部连续曲面，减少了面片构造过程的计算量，避免了局部面片切换过程中反馈力的突变。所设计的曲面构造方法引入了中心点高度信息插值，能更好的保持物体原有几何特征。通过对比实验可以看出，在不提高虚拟模型复杂度的情况下，该方法可以保证反馈力输出的连续性，提高力觉交互过程的透明性。
2. 考虑到基于能量分析的稳定性判断方法中存在的采样变量多、采样精度要求高等不足之处，结合操作者对于不同振动频率感知敏感阈的差异，设计了一种基于频域分布特征的稳定性控制策略，以解决虚拟力觉交互系统仿真时延所导致的不稳定问题。控制器工作过程中，使用反馈力的频域分布特征判断系统的稳定性，使观测过程具有观测变量少、速度快的特点。闭环系统稳定性分析结果表明，系统可以在更高的刚度区间内完成稳定力觉交互。实验结果证明了算法能够在多种不同刚度场景下保证反馈力的稳定输出。
3. 针对固定小时延遥操作系统中动力学参数的不确定性，提出了两种自适应稳定性控制方法。首先，讨论得出了受到动力学参数不确定性以及附加扰动影响的遥操作系统动力学模型。针对上述模型，利用神经网络估计系统非线性项，消弱了动力学不确定性导致的跟踪误差。然后，进一步考虑系统存在关节摩擦力的情况，设计了基于Backstepping方法的自适应模糊神经网络控制器，避免了网络逼近输入信号对加速度量测以及外部扰动上界信息的依赖。理论分析和实验证明了闭环遥操作系统稳定，并且具有良好的关节位置跟踪能力。
4. 针对受到可变通讯时延以及所处主端环境和从端环境的参数不确定性影响的遥操作系统，设计了两种自适应控制器。在控制器设计之初，分析了由于环境精确数学模型无法预知或很难获得所导致模型偏差，以及其对闭环系统稳定性分析和控制器设计产生的影响，而后，针对环境模型已知、参数不确定的情况，首先设计了基于神经网络的自适应控制器，给出了环境参数辨识和扰动自适应补偿方法，得出了时延相关的系统稳定交互条件。然后，进一步考虑环境模型未知的情况，设计了不依赖于环境参数及模型信息的稳定性控制器，利用李雅普诺夫稳定性理论给出了满足H∞性能的渐进收敛条件，从而方便了遥操作系统在未知环境中的应用。理论分析和实验结果均证明了控制器设计和稳定性分析的有效性。
5. 以本实验室自主设计的力觉交互装置为主端设备，搭建了一套基于虚拟现实的力觉交互系统，分析了该系统的总体结构设计，详细讨论了主端系统和从端系统的硬件和软件设计，进行了时延条件下的虚拟主从遥操作实验，实验结果验证了本文设计的控制算法的有效性。