双向控制

控制科学与工程术语

控制系统中，根据控制器所连接的控制对象数量，可以将控制系统分为三类:如果控制逻辑只与一个动力学系统相互作用，那么这种控制称为单向控制，例如电机的电流闭环控制系统；如果控制逻辑与两个动力学系统相互作用，且这两个动力学系统有状态祸合关系，那么这种控制称为双向控制。

基本概念

控制系统中，根据控制器所连接的控制对象数量，可以将控制系统分为三类:如果控制逻辑只与一个动力学系统相互作用，那么这种控制称为单向控制，例如电机的电流闭环控制系统;如果控制逻辑与两个动力学系统相互作用，且这两个动力学系统有状态祸合关系，那么这种控制称为双向控制，例如遥操作机器人的主一从控制系统中，控制器需要协调主、从动力学间的控制，以便它们之间可以相互影响。而汽车SBw系统的结构决定了它实际上也是一种主一从系统;同理，如果有三个或更多动力学系统通过一个控制逻辑互相作用，这种控制称为多向控制系统，例如一个控制器协调多个机器人同步进行搬运任务。

双向控制系统

在实世界遥操作领域的触觉传输和通信中，需要两套及以上的机器人系统组成硬件执行器，并基于软件通过控制算法实现各机器人之间通信联系。由于两台机器人是最基本的系统构成，研究双向控制结构(Bilateral Control)的成果也最多。双向控制是控制领域中实现多机器人触觉通信的基本方法，用于实现触觉交互的机器人系统同人与环境之间进行交互。在双向控制中的两台机器人常被分为主机和从机。常见并且非常易于实现的一种双向控制结构是从机器人跟随主机器人运动，并将从机器人产生的控制力反馈给主机器人，实现两机器人的同步运动。这样就能使从机跟踪主机的同时，在主机一侧也能受从机驱动力的影响，从而在主一从机器人之间形成一个运动和力的交互接口，即形成如图2所示的力反馈一位置型双向控制结构。这里，主机器人处于力控制状态，从机器人处于位置控制状态。

该结构还有若干的变形，如位置一位置型、直接力反馈一位置型等。位置-位置型控制结构是将主机的位置响应作为从机的位置参考值;同时将从机的位置响应作为主机的位置参考值，从而实现主从机器人之间的位置跟踪。这里，主机和从机都处于位置控制状态，力反馈是通过两套机器人系统的位置跟踪间接实现的。直接力反馈一位置型结构是采用主机的位置响应作为从机位置参考值，并将环境对从机的反作用力作为力控制参考值用于主机的力控制。这种控制结构使主机器人处于力控制状态，从机器人处于位置控制状态。与力反馈一位置型结构所不同的是，这种控制结构直接检测来自环境的力作为主机力控制的参考信号，主机一侧感受到的从机与环境的接触力更为直接。

双向控制结构

原理

图3为双向控制结构的原理图。使用该控制结构的系统开始工作时，操纵者操作主操纵机构使其运动，由通信环节将主操纵机构上的力及位置信息输送给远处的从机械手，使其跟踪主操纵机构运动，实现操作者的意图;同时从操纵机构在接触目标工作环境后，将其感受到的外界环境施加的反作用力同样由通信环节反馈给主操纵机构，乞息使操作者产生身临其境的感受。操作者掌握尽可能真实的环境信从操纵机构间力与位置信息的交换互动，能够使从而有助于操作者做出准确判断并发出恰当指令，使整个系统能够稳定高效地完成操作目的。

基本类型

在任何系统中使用双向控制结构时，如何处理好力控制和位置控制之间的关系是所有设计者都必须要考虑的问题。评价双向控制结构性能的好坏主要有两个指标:稳定性和透明性。其中，稳定性是所有控制结构都必须具备的特性，它是任何控制结构是否有效的前提;透明性是评价一种双向控制结构能否准确实现主从操纵机构间相互跟踪的能力。双向控制结构的透明性体现通过两个方向体现:一是主、从操纵机构对彼此运动位置的跟随能力，一是操作者通过主、从操纵机构间信息的相互反馈感受到真实环境信息的能力。

由于主、从操纵机构间有四路信息可以进行交换，因此它们之间力与位置信息的融合可以衍生出多种控制策略，每种控制策略都有其相对应的控制结构。每种控制结构的目的都是在保证采用该控制结构的系统的稳定性的同时，尽可能地提高该系统的透明性。在实际应用中，由于系统的控制要求不同，因此通过恰当地选择控制结构便能较理想地实现控制目的。己经开发应用的双向控制结构如下:

1)力直接反馈一位置型双向控制结构

力直接反馈一位置型双向控制结构控制策略是通过主、从手间的位差信号驱动从手执行器运动，把从执行器与环境的作用力通过力传感器直接反馈给主手端。由于该方法中从手执行器与工作环境间的作用力由力检测装置通过控制器直接反馈给主手端，令操作者感受到真实的工作环境，因此有很多研究者采用了这种控制结构。但是主手执行器的操纵力不仅与从手执行器和工作环境的相互作用力有关，而且还与主手执行器自身的动力学特性有关。因此，B.Hannaford等人建议在采用这种控制结构时，必须尽量减小主手执行器的惯量和阻尼。由于在该控制结构中，将测得的从手执行器所受到的力直接传送给主手执行器，若从手执行器自重很大，即使在从手执行器处于自由运动状态，操作者对主手执行器的操纵仍有困难。而当从手执行器接触到刚性物体时，主手执行器所感受到的力会突然变大，反作用于操作者的冲击力很大，操作者会难以忍受。

2)力反馈一位置型双向控制结构

图5为力反馈一位置型控制结构原理图，其控制策略是通过主从手端的位差信号驱动从手执行器运动，控制器通过操作者施加给主手执行器的力以及工作环境施加给从手执行器的力给操作者反馈力信息。与力直接反馈一位置型控制结构相比，该控制结构中力的控制形成了一个闭环回路，主从机构的惯性力矩和摩擦力矩不会反馈给主手端，从而抑制了力控制回路中主、从手的动力学特性，改善了系统的动态特性，提高了系统的透明性。经过试验可知，在从手处于自由运动状态时，主手感受不到从手惯性力矩的反作用。但是，当从手执行器受力突变时，主手执行器会受到反馈力冲击，使系统的操纵性能受影响。

3)力一位置综合型双向控制结构

图6为力一位置综合型双向控制结构原理图，其控制策略是通过主、从端的位差信号驱动从手执行器运动，此位差信号还通过控制器给主手执行器提供力反馈信号，同时从手端的力检测装置将从手执行器感受到的环境力反馈给主手执行器。该控制结构与力反射一位置型双向控制结构相比，控制方法简单易实现，当然也能较真实地反映从手执行器的受力状况。但是，当从手执行器自重很大时，存在与力直接反馈型同样的对主手执行器操纵困难的问题。

双向控制在机器人领域的发展

双向控制方法广泛应用在具有力反馈的遥操作机器人系统中，这种主一从机器人系统能够代替操作者执行危险环境(如强辐射、高温、高压、缺氧等工作环境)下的任务，甚至解决人类难以直接完成的工作(如工作空间狭小，工作阻力巨大等)。这样，操作者可以在相对安全的地点，通过操作机器人的主机械手向处在工作环境下的从机械手发送控制命令;同时，从手将工作阻力通过主手反馈给操作者。这相当于扩大了人类的触觉作用范围，结合视频、音频技术给予操作者的视觉和听觉反馈，可以大大提高遥操作的工作效率。

最早的主一从遥操作系统诞生于1954年的美国Argonne国家实验室，由Ray Goert研制具有伺服反馈的机电遥操作系统，用于搬运放射性核废料。在随后的研究中，人们通过动力学和运动学设计，开发了各种力反馈装置。

随着计算机和互联网技术的飞速发展，一些先进的双向遥操作控制方法和远程操作技术在多个领域得到了广泛的应用。1989年，美国犹他州大学的Jacobson开发了高保真的主一从遥操作系统，它被美国海军用于海底精细操作任务。1993年，美国NASA开发了用于空间作业任务的遥操作机器人FTS系统和DTF-1系统，它们使航天飞机中的宇航员在操作时，具有初步临场感效果。同年，德国宇航中心DLR在哥伦比亚号航天飞机中，对其研制的空间机器人ROTEX进行了太空实验。东京大学研制的基于Internet通讯的遥控微手术系统，该系统成功地完成了人工血管缝合手术，且血管直径小于1 mm。美国伯克利大学系统地进行了具有力反馈和立体远程触觉的医疗外科机器人系统的研究，该系统包含两台具有触觉传感器的主一从机械手，能够使医生进行微创外科手术。法国Cybernetix公司开发的多功能机器人LMF，能够让操作人员对从机械手进行遥操作并实现力反馈，该机器人用于核反应设备的维修、拆解等任务。日本庆应义塾大学开发的拟人机器人系统能够对机器人的双臂和双手进行遥控。其主操作手不仅能够向操作者反馈手臂和手指运动时的阻力，还能够模拟手指的接触压力和摩擦力，结合视听设备，给操作者以逼真的触觉延伸感受。

与发达国家的双向遥操作机器人的多元化应用相比，国内双向控制力反馈遥操作机器人发展的起步相对较晚，主要集中在自动化领域智能机器人以及航天领域空间机器人上的临场感双向遥控技术。北京航空航天大学建立了一个机器人遥操作系统，用于空间舱内晶体生长科学实验。操作者可以通过该系统遥操作从机械手更换晶体炉棒料，结合基于虚拟现实的人机交互界面和网络模拟时间延迟，操作者还可以通过网络遥操作从机械手工作。东南大学在虚拟环境的力反馈建模以及力/触觉感知接口方面做了大量的研究工作，建立了包含6个自由度的Delta主操作手和模拟的力觉显示系统，结合几何与运动学建模，利用自行研制的手控器在存在通信延时的条件下，实现了抓取、移动和放置物体的操作任务。哈尔滨工业大学针对空间大延时下的空间遥操作和网络传输延时下的网络遥操作技术进行了研究，主要包括系统时延传输特性、人机交互接口设备、双向力反馈控制、网络协调控制、系统体系结构和性能评价等相关关键技术，建立了基于Internet的多操作者、多遥操作机器人系统，取得了阶段性成果。另外，中科院沈阳自动化研究所、吉林大学、东南大学、南开大学和国防科技大学等研究机构或高校均对双向力反馈遥操作机器人做了大量研究。

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