雙向控制

控制系統中，根據控制器所連線的控制對象數量，可以將控制系統分為三類:如果控制邏輯只與一個動力學系統相互作用，那么這種控制稱為單向控制，例如電機的電流閉環控制系統；如果控制邏輯與兩個動力學系統相互作用，且這兩個動力學系統有狀態禍合關係，那么這種控制稱為雙向控制。

基本介紹

• 中文名：雙向控制
• 外文名：Bidirectional control
• 類別：控制科學與工程
• 舉例：遙操作機器人的主一從控制系統
• 結構：力直接反饋一位置型雙向控制結構
• 套用：具有力反饋的遙操作機器人系統

基本概念

控制系統中，根據控制器所連線的控制對象數量，可以將控制系統分為三類:如果控制邏輯只與一個動力學系統相互作用，那么這種控制稱為單向控制，例如電機的電流閉環控制系統;如果控制邏輯與兩個動力學系統相互作用，且這兩個動力學系統有狀態禍合關係，那么這種控制稱為雙向控制，例如遙操作機器人的主一從控制系統中，控制器需要協調主、從動力學間的控制，以便它們之間可以相互影響。而汽車SBw系統的結構決定了它實際上也是一種主一從系統;同理，如果有三個或更多動力學系統通過一個控制邏輯互相作用，這種控制稱為多向控制系統，例如一個控制器協調多個機器人同步進行搬運任務。

雙向控制系統

在實世界遙操作領域的觸覺傳輸和通信中，需要兩套及以上的機器人系統組成硬體執行器，並基於軟體通過控制算法實現各機器人之間通信聯繫。由於兩台機器人是最基本的系統構成，研究雙向控制結構(Bilateral Control)的成果也最多。雙向控制是控制領域中實現多機器人觸覺通信的基本方法，用於實現觸覺互動的機器人系統同人與環境之間進行互動。在雙向控制中的兩台機器人常被分為主機和從機。常見並且非常易於實現的一種雙向控制結構是從機器人跟隨主機器人運動，並將從機器人產生的控制力反饋給主機器人，實現兩機器人的同步運動。這樣就能使從機跟蹤主機的同時，在主機一側也能受從機驅動力的影響，從而在主一從機器人之間形成一個運動和力的互動接口，即形成如圖所示的力反饋一位置型雙向控制結構。這裡，主機器人處於力控制狀態，從機器人處於位置控制狀態。

該結構還有若干的變形，如位置一位置型、直接力反饋一位置型等。位置-位置型控制結構是將主機的位置回響作為從機的位置參考值;同時將從機的位置回響作為主機的位置參考值，從而實現主從機器人之間的位置跟蹤。這裡，主機和從機都處於位置控制狀態，力反饋是通過兩套機器人系統的位置跟蹤間接實現的。直接力反饋一位置型結構是採用主機的位置回響作為從機位置參考值，並將環境對從機的反作用力作為力控制參考值用於主機的力控制。這種控制結構使主機器人處於力控制狀態，從機器人處於位置控制狀態。與力反饋一位置型結構所不同的是，這種控制結構直接檢測來自環境的力作為主機力控制的參考信號，主機一側感受到的從機與環境的接觸力更為直接。

雙向控制結構

原理

圖為雙向控制結構的原理圖。使用該控制結構的系統開始工作時，操縱者操作主操縱機構使其運動，由通信環節將主操縱機構上的力及位置信息輸送給遠處的從機械手，使其跟蹤主操縱機構運動，實現操作者的意圖;同時從操縱機構在接觸目標工作環境後，將其感受到的外界環境施加的反作用力同樣由通信環節反饋給主操縱機構，乞息使操作者產生身臨其境的感受。操作者掌握儘可能真實的環境信從操縱機構間力與位置信息的交換互動，能夠使從而有助於操作者做出準確判斷並發出恰當指令，使整個系統能夠穩定高效地完成操作目的。

基本類型

在任何系統中使用雙向控制結構時，如何處理好力控制和位置控制之間的關係是所有設計者都必須要考慮的問題。評價雙向控制結構性能的好壞主要有兩個指標:穩定性和透明性。其中，穩定性是所有控制結構都必須具備的特性，它是任何控制結構是否有效的前提;透明性是評價一種雙向控制結構能否準確實現主從操縱機構間相互跟蹤的能力。雙向控制結構的透明性體現通過兩個方向體現:一是主、從操縱機構對彼此運動位置的跟隨能力，一是操作者通過主、從操縱機構間信息的相互反饋感受到真實環境信息的能力。

由於主、從操縱機構間有四路信息可以進行交換，因此它們之間力與位置信息的融合可以衍生出多種控制策略，每種控制策略都有其相對應的控制結構。每種控制結構的目的都是在保證採用該控制結構的系統的穩定性的同時，儘可能地提高該系統的透明性。在實際套用中，由於系統的控制要求不同，因此通過恰當地選擇控制結構便能較理想地實現控制目的。己經開發套用的雙向控制結構如下:

1)力直接反饋一位置型雙向控制結構
力直接反饋一位置型雙向控制結構控制策略是通過主、從手間的位差信號驅動從手執行器運動，把從執行器與環境的作用力通過力感測器直接反饋給主手端。由於該方法中從手執行器與工作環境間的作用力由力檢測裝置通過控制器直接反饋給主手端，令操作者感受到真實的工作環境，因此有很多研究者採用了這種控制結構。但是主手執行器的操縱力不僅與從手執行器和工作環境的相互作用力有關，而且還與主手執行器自身的動力學特性有關。因此，B.Hannaford等人建議在採用這種控制結構時，必須儘量減小主手執行器的慣量和阻尼。由於在該控制結構中，將測得的從手執行器所受到的力直接傳送給主手執行器，若從手執行器自重很大，即使在從手執行器處於自由運動狀態，操作者對主手執行器的操縱仍有困難。而當從手執行器接觸到剛性物體時，主手執行器所感受到的力會突然變大，反作用於操作者的衝擊力很大，操作者會難以忍受。

2)力反饋一位置型雙向控制結構
圖為力反饋一位置型控制結構原理圖，其控制策略是通過主從手端的位差信號驅動從手執行器運動，控制器通過操作者施加給主手執行器的力以及工作環境施加給從手執行器的力給操作者反饋力信息。與力直接反饋一位置型控制結構相比，該控制結構中力的控制形成了一個閉環迴路，主從機構的慣性力矩和摩擦力矩不會反饋給主手端，從而抑制了力控制迴路中主、從手的動力學特性，改善了系統的動態特性，提高了系統的透明性。經過試驗可知，在從手處於自由運動狀態時，主手感受不到從手慣性力矩的反作用。但是，當從手執行器受力突變時，主手執行器會受到反饋力衝擊，使系統的操縱性能受影響。

3)力一位置綜合型雙向控制結構
圖為力一位置綜合型雙向控制結構原理圖，其控制策略是通過主、從端的位差信號驅動從手執行器運動，此位差信號還通過控制器給主手執行器提供力反饋信號，同時從手端的力檢測裝置將從手執行器感受到的環境力反饋給主手執行器。該控制結構與力反射一位置型雙向控制結構相比，控制方法簡單易實現，當然也能較真實地反映從手執行器的受力狀況。但是，當從手執行器自重很大時，存在與力直接反饋型同樣的對主手執行器操縱困難的問題。

雙向控制在機器人領域的發展

雙向控制方法廣泛套用在具有力反饋的遙操作機器人系統中，這種主一從機器人系統能夠代替操作者執行危險環境(如強輻射、高溫、高壓、缺氧等工作環境)下的任務，甚至解決人類難以直接完成的工作(如工作空間狹小，工作阻力巨大等)。這樣，操作者可以在相對安全的地點，通過操作機器人的主機械手向處在工作環境下的從機械手傳送控制命令;同時，從手將工作阻力通過主手反饋給操作者。這相當於擴大了人類的觸覺作用範圍，結合視頻、音頻技術給予操作者的視覺和聽覺反饋，可以大大提高遙操作的工作效率。

最早的主一從遙作業系統誕生於1954年的美國Argonne國家實驗室，由Ray Goert研製具有伺服反饋的機電遙作業系統，用於搬運放射性核廢料。在隨後的研究中，人們通過動力學和運動學設計，開發了各種力反饋裝置。

隨著計算機和網際網路技術的飛速發展，一些先進的雙向遙操作控制方法和遠程操作技術在多個領域得到了廣泛的套用。1989年，美國猶他州大學的Jacobson開發了高保真的主一從遙作業系統，它被美國海軍用於海底精細操作任務。1993年，美國NASA開發了用於空間作業任務的遙操作機器人FTS系統和DTF-1系統，它們使太空梭中的太空人在操作時，具有初步臨場感效果。同年，德國宇航中心DLR在哥倫比亞號太空梭中，對其研製的空間機器人ROTEX進行了太空實驗。東京大學研製的基於Internet通訊的遙控微手術系統，該系統成功地完成了人工血管縫合手術，且血管直徑小於1 mm。美國伯克利大學系統地進行了具有力反饋和立體遠程觸覺的醫療外科機器人系統的研究，該系統包含兩台具有觸覺感測器的主一從機械手，能夠使醫生進行微創外科手術。法國Cybernetix公司開發的多功能機器人LMF，能夠讓操作人員對從機械手進行遙操作並實現力反饋，該機器人用於核反應設備的維修、拆解等任務。日本慶應義塾大學開發的擬人機器人系統能夠對機器人的雙臂和雙手進行遙控。其主操作手不僅能夠向操作者反饋手臂和手指運動時的阻力，還能夠模擬手指的接觸壓力和摩擦力，結合視聽設備，給操作者以逼真的觸覺延伸感受。

與已開發國家的雙向遙操作機器人的多元化套用相比，國內雙向控制力反饋遙操作機器人發展的起步相對較晚，主要集中在自動化領域智慧型機器人以及航天領域空間機器人上的臨場感雙向遙控技術。北京航空航天大學建立了一個機器人遙作業系統，用於空間艙內晶體生長科學實驗。操作者可以通過該系統遙操作從機械手更換晶體爐棒料，結合基於虛擬現實的人機互動界面和網路模擬時間延遲，操作者還可以通過網路遙操作從機械手工作。東南大學在虛擬環境的力反饋建模以及力/觸覺感知接口方面做了大量的研究工作，建立了包含6個自由度的Delta主操作手和模擬的力覺顯示系統，結合幾何與運動學建模，利用自行研製的手控器在存在通信延時的條件下，實現了抓取、移動和放置物體的操作任務。哈爾濱工業大學針對空間大延時下的空間遙操作和網路傳輸延時下的網路遙操作技術進行了研究，主要包括系統時延傳輸特性、人機互動接口設備、雙向力反饋控制、網路協調控制、系統體系結構和性能評價等相關關鍵技術，建立了基於Internet的多操作者、多遙操作機器人系統，取得了階段性成果。另外，中科院瀋陽自動化研究所、吉林大學、東南大學、南開大學和國防科技大學等研究機構或高校均對雙向力反饋遙操作機器人做了大量研究。