摘要：以關(guān)節(jié)型云機(jī)器人為基礎(chǔ)，以云控制中的大延時(shí)時(shí)間問題為核心，以內(nèi)模控制為手段，開展大時(shí)延背景下關(guān)節(jié)型云機(jī)器人的抗擾動內(nèi)模控制策略的研究;運(yùn)用抗干擾內(nèi)模控制原理，解決關(guān)節(jié)型云機(jī)器人在外界干擾和模型不精確情況下的軌跡跟蹤問題;在對云控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)延特性分析的基礎(chǔ)上，將魯棒控制方法應(yīng)用到云控制系統(tǒng)中，給出了時(shí)延控制算法。解決了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的無界、丟包、亂序等問題。

　　關(guān)鍵詞：內(nèi)模控制;云機(jī)器人;關(guān)節(jié)型機(jī)器人;網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;動態(tài)性能

　　0引言

　　目前，全球有一百多個國家和地區(qū)在大力研發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人。機(jī)器人種類繁多，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，基本形成了以工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用為主，以服務(wù)機(jī)器人為輔，以教育機(jī)器人為基礎(chǔ)的發(fā)展格局。近幾年，云機(jī)器人在機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域異軍突起，掀開了機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的新篇章。隨著生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，工業(yè)制造技術(shù)日趨復(fù)雜，人們對工業(yè)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高，工程人員對于新型智能制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的需求也日趨迫切。在技術(shù)不斷革新的大環(huán)境下，云機(jī)器人所具有的技術(shù)優(yōu)勢日趨明顯。

　　云計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，為大數(shù)據(jù)的處理、復(fù)雜系統(tǒng)的控制等難題提供了新的解決方法與思路。云機(jī)器人是把機(jī)器人在運(yùn)行之前需要的模型數(shù)據(jù)與復(fù)雜的算法存儲在云端，當(dāng)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，機(jī)器人才與服務(wù)器相連，獲得相關(guān)的控制數(shù)據(jù)與通信信息。云機(jī)器人的概念是在2010年由卡耐基梅隆大學(xué)的庫夫納教授提出的⑴。

　　云機(jī)器人的實(shí)質(zhì)是云計(jì)算技術(shù)和機(jī)器人學(xué)的相互融合。云機(jī)器人技術(shù)的基本原理是將控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)及相關(guān)信息存到機(jī)器人本體之外，即云端，這就降低了機(jī)器人本體對控制系統(tǒng)的依賴度。當(dāng)機(jī)器人控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過云端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接到云網(wǎng)絡(luò)，并借助云網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大計(jì)算能力對控制信號進(jìn)行分析和處理。云機(jī)器人技術(shù)極大地增強(qiáng)了機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力和控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。云機(jī)器人技術(shù)所具有的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)價(jià)值日趨明顯，云機(jī)器人也逐步走向市場，并在環(huán)境衛(wèi)生、生物醫(yī)藥、國防安全、空間探索等行業(yè)初顯身手。這充分說明了云機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊。

　　文獻(xiàn)[2]研發(fā)了一款可以自主導(dǎo)航的座椅機(jī)器人，其原理是采用云端實(shí)時(shí)共享的相關(guān)地圖數(shù)據(jù)，通過云網(wǎng)路向自主導(dǎo)航的座椅機(jī)器人提供精準(zhǔn)的定位和導(dǎo)航服務(wù)，幫助行動障礙人士自主逛商場、購物，并向其提供精準(zhǔn)的醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)。由新加坡科技研究局(AgencyforScience,TechnologyandResearch,簡稱A*STAR)下屬的數(shù)據(jù)存儲研究所在深入研究了云計(jì)算的架構(gòu)與信息處理的融合技術(shù)后，提出了一種新型的云計(jì)算架構(gòu)。這種新型的云計(jì)算架構(gòu)能夠讓機(jī)器人根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的變化，自主構(gòu)建周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)三維地圖⑷。

　　土耳其薩班奇大學(xué)道格馬斯教授則專注于服務(wù)機(jī)器人在醫(yī)療健康領(lǐng)域的研究，近年來，他聚焦于云處理技術(shù)與物理醫(yī)學(xué)的融合，設(shè)計(jì)了一種新型的云康復(fù)機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)是采用了一種結(jié)構(gòu)化的方式表示云機(jī)器人的實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)及相關(guān)信息⑷。隨著國外科研機(jī)構(gòu)對于云機(jī)器人的研究，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)也開始聚焦于云機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，如以北京理工大學(xué)、清華大學(xué)和浙江大學(xué)為代表的一批高校，對云機(jī)器人技術(shù)的研究目前處于國內(nèi)領(lǐng)先水平“一叫雖然，當(dāng)前國內(nèi)各科研機(jī)構(gòu)、企事業(yè)單位在云機(jī)器人技術(shù)研究中取得了一些成就，但是對于云機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研究尚處于技術(shù)準(zhǔn)備和應(yīng)用的探索階段，在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域更是如此。

　　當(dāng)前，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的銷量和保有量逐年上升，但是在云工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)研究仍相對薄弱。其中，存在于云端與機(jī)械手之間的信息傳輸時(shí)延是亟待解決的控制問題。大時(shí)延和時(shí)變時(shí)延給云機(jī)器人控制系統(tǒng)帶來的影響主要體現(xiàn)在：機(jī)器人控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機(jī)器人循跡精度的降低上。此外，云機(jī)器人控制系統(tǒng)還存在環(huán)境的適應(yīng)性、抗干擾能力、對時(shí)延以外其他參數(shù)攝動的魯棒性等問題。圖2為六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的關(guān)節(jié)分布圖。本文將研究焦點(diǎn)集中于關(guān)節(jié)型云機(jī)器人個體網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)方面，以關(guān)節(jié)型云機(jī)器人為基礎(chǔ)，以云控制中的大時(shí)延問題為核心，以內(nèi)模控制為手段，開展大時(shí)延背景下關(guān)節(jié)型云機(jī)器人的抗擾動內(nèi)模控制策略的研究。

　　1單關(guān)節(jié)云機(jī)器人內(nèi)模控制器設(shè)計(jì)方法

　　內(nèi)模控制的基本原理是降低控制系統(tǒng)對于被控模型的依賴度，增強(qiáng)控制系統(tǒng)對于系統(tǒng)內(nèi)模擾動和干擾信息的魯棒性，利用內(nèi)模控制獨(dú)特的控制結(jié)構(gòu)和引入的低通濾波器來處理被控對象中的不穩(wěn)定因素。關(guān)節(jié)型云機(jī)器人中的時(shí)滯正是內(nèi)模控制所要處理的核心問題。在控制系統(tǒng)輸入端施加階躍型響應(yīng)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的內(nèi)模PID控制器是否能有效地處理云機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)中的延遲時(shí)間問題，同時(shí)是否能提高控制系統(tǒng)的魯棒性。

　　在相同魯棒性條件下，內(nèi)模PID控制系統(tǒng)的超調(diào)量較小，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為5S,低于傳統(tǒng)PID控制器的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間;雖然內(nèi)模PID控制系統(tǒng)的運(yùn)行更平穩(wěn)，但并不是所有的動態(tài)指標(biāo)均可達(dá)到滿意值，例如內(nèi)模PID控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間比傳統(tǒng)PID控制器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間長。這也符合控制器平衡整定的原理，即為了滿足控制系統(tǒng)的某些動態(tài)性能指標(biāo)，必須以犧牲其他動態(tài)性能指標(biāo)為代價(jià)。反映了兩種控制系統(tǒng)的部分動態(tài)特性，并沒有反映其在大延遲時(shí)間條件下的系統(tǒng)響應(yīng)輸出情況。

　　為了進(jìn)一步研究兩種控制器在不同延遲時(shí)間條件下，控制系統(tǒng)的動態(tài)特性及控制系統(tǒng)的抗干擾性，采用分別對兩種控制系統(tǒng)逐步增加延遲時(shí)間的方法，即延遲時(shí)間增加20%,50%,80%,100%和150%時(shí)，觀察兩者的系統(tǒng)響應(yīng)輸出情況。圖5為不同延遲時(shí)間條件下的內(nèi)模PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)輸出曲線，圖6為不同延遲時(shí)間條件下的傳統(tǒng)PID控制階躍響應(yīng)輸出曲線。

　　當(dāng)云機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)曲線較小時(shí)，并不會對控制系統(tǒng)造成影響•但是隨著控制系統(tǒng)延遲時(shí)間的增加，其對控制系統(tǒng)的負(fù)面影響逐漸顯現(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，在不同延遲時(shí)間條件下，內(nèi)模PID控制器的系統(tǒng)動態(tài)性能完全優(yōu)于傳統(tǒng)的PID控制器的動態(tài)性能，尤其是當(dāng)系統(tǒng)延遲時(shí)間增大到150%時(shí)，內(nèi)模PID控制器的系統(tǒng)依然可控，且具有良好的動態(tài)性能，而傳統(tǒng)的PID控制器在延遲時(shí)間增大到150%時(shí)，系統(tǒng)就產(chǎn)生了發(fā)散，且不可控，動態(tài)性能完全丟失•這充分說明本文設(shè)計(jì)的內(nèi)模控制方法能夠有效地應(yīng)用到云控制系統(tǒng)中，并能解決云機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間的無界、丟包、亂序等控制問題。

　　本文研究了云機(jī)器人中的大延時(shí)時(shí)間問題，討論了大延時(shí)時(shí)間對于不同控制系統(tǒng)的影響。當(dāng)云機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間較小時(shí)，并不會對控制系統(tǒng)造成影響•但是隨著控制系統(tǒng)延遲時(shí)間的增加，其對控制系統(tǒng)的負(fù)面影響逐漸顯現(xiàn)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的內(nèi)模PID控制器能夠有效地解決云機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的無界、丟包、亂序等控制問題;合理的設(shè)計(jì)過程驗(yàn)證了將本文所提出的內(nèi)模PID控制器應(yīng)用到云端控制網(wǎng)路系統(tǒng)的可行性。

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　　摘要：隨著社會的進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)器人出現(xiàn)在人們視野，并逐漸代替人們服務(wù)于各行各業(yè)。論文通過設(shè)計(jì)制作交叉足機(jī)器人，來對雙足機(jī)器人的控制系統(tǒng)和步態(tài)穩(wěn)定性作出探究。并對機(jī)器人進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)規(guī)劃，提高了機(jī)器人總體的穩(wěn)定性。該交叉足機(jī)器人的制作本著創(chuàng)新，實(shí)用為目的，為最后生產(chǎn)出可以服務(wù)于人類，并在社會中發(fā)揮作用的機(jī)器人提供一些有益借鑒，且符合社會進(jìn)步發(fā)展的需要。