面向空間遙操作的非對稱雙人共享控制及其性能分析

鹿振宇， 黃攀峰,*， 戴沛

1.西北工業(yè)大學 航天學院 智能機器人研究中心, 西安 710072 2.西北工業(yè)大學 航天飛行動力學技術(shù)重點實驗室, 西安 710072

面向空間遙操作的非對稱雙人共享控制及其性能分析

鹿振宇1,2， 黃攀峰1,2,*， 戴沛1,2

1.西北工業(yè)大學 航天學院 智能機器人研究中心, 西安 710072 2.西北工業(yè)大學 航天飛行動力學技術(shù)重點實驗室, 西安 710072

面向復(fù)雜操控任務(wù)的多人/機遙操作技術(shù)是未來空間遙操作的發(fā)展趨勢之一。在綜述目前雙主單從的遙操作控制模式的基礎(chǔ)上，提出一種面向空間遙操作的非對稱雙人共享控制方法。首先，通過分析理想雙主單從遙操作系統(tǒng)模型，并對優(yōu)勢因子進行區(qū)分，建立了時延影響下的非對稱雙主單從共享控制系統(tǒng)模型；然后，利用傳遞阻抗、可達阻抗范圍、性能表現(xiàn)距離和傳遞阻抗比等函數(shù)對系統(tǒng)的性能指標進行評價分析，并給出優(yōu)勢因子、控制阻抗和環(huán)境阻抗等參數(shù)對系統(tǒng)運動學性能的影響；最后，對所提出的方法進行仿真和實驗驗證，結(jié)果表明相比于傳統(tǒng)控制方法，非對稱雙人共享控制具有較好的透明性和抗時延影響特性。

遙操作； 非對稱雙人共享控制； 優(yōu)勢因子； 性能分析； 透明性

近年來，以“鳳凰計劃”和ISS加拿大機械臂任務(wù)為代表的包含復(fù)雜操控的空間裝配、維護作業(yè)任務(wù)的空間在軌服務(wù)技術(shù)引起了各國的重視。在這些任務(wù)中，由于機器人智能程度不高，對于部分精細操作仍是采用遙操作的方式進行。目前，雖然遙操作技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航天器在軌服務(wù)、外星探測[1-2]、遠程醫(yī)療[3]以及特殊環(huán)境的非接觸操作中，一些單主單從(SMSS)遙操作控制方法在文獻[4-5]中也有所總結(jié)，但是針對一些需要復(fù)雜并行操作的任務(wù)而言，這顯然是不夠的。

相比于傳統(tǒng)的單主單從遙操作方式，多主多從(MMMS)遙操作技術(shù)旨在研究多個操作者對多個相互通信的機器人的操作，從而高效地完成較復(fù)雜的操作任務(wù)，在執(zhí)行相同的任務(wù)時，其操作方式更為靈活，任務(wù)負載也更大[6-7]。

雙人共享控制作為一種雙主單從的遙操作控制方法，在遠程醫(yī)療的外科手術(shù)訓練與教學中首先得到研究[8]，目前部分研究成果已在空間操控和遠程醫(yī)療中得到驗證[9-10]。這種共享控制方法不同于柔性共享控制[11-12]，其基本思想來源于機械原理中的H型構(gòu)件[8]。在H型構(gòu)件中，α∈[0,1]表示節(jié)點在連接軸上的位置；而在雙人共享遙操作控制中，α和1-α則表示系統(tǒng)中兩個主控器(其中一個表示訓練者，另一個表示被訓練者)的控制權(quán)重，從手的位置和控制作用力由兩個主手共同決定。此外，文獻[8]還通過H∞的方法實現(xiàn)了訓練者和被訓練者對從手的單邊協(xié)同控制，但是并沒有將從手的動力學反饋信息用于主手的控制器設(shè)計中。

Khademian和Hashtrudi-Zaad[13]提出一種包含從手反饋信息的共享控制方法，與文獻[8]中的控制權(quán)重概念類似，通過引入優(yōu)勢因子實現(xiàn)主手和從手之間力和速度信息的共享，由此形成了雙主單從的共享控制基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中：Fh1和Fh2為操作者1和操作者2對主機械臂1和主機械臂2的作用力；Vh1和Vh2為操作者1和操作者2的速度；Fe為從手對環(huán)境的作用力；Ve為從手在環(huán)境中的運動速度。此外，文獻[13]還通過定義傳遞阻抗函數(shù)和可達阻抗范圍函數(shù)分析了各參數(shù)對系統(tǒng)運動學特性的影響。

圖1 雙主單從的共享控制基本結(jié)構(gòu)

Fig.1 Basic structure of dual-user single-slave shared control

在此基礎(chǔ)上，Khademian和Hashtrudi-Zaad還研究了四通道結(jié)構(gòu)下主從手作用力和位置共享控制情況的系統(tǒng)運動學特性[14]，并通過改進系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)增加系統(tǒng)的可操作性和操作者對環(huán)境的感知能力[15]。在控制方面，Khademian和Hashtrudi-Zaad的主要貢獻在于提出了共享控制結(jié)構(gòu)下的絕對穩(wěn)定條件[16]，并研究了多邊共享控制的主手動力學不確定參數(shù)問題的魯棒控制方法[17]。此外，Razi[18]和Li[19]等也分別通過將共享控制形式化為三端口網(wǎng)絡(luò)，利用ZW穩(wěn)定性標準和Llewellyn準則，給出了共享多邊控制的系統(tǒng)穩(wěn)定性條件。

通信時延是影響遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定的重要因素之一，針對雙人共享系統(tǒng)，Shahbazi等利用無源理論、魯棒控制、自適應(yīng)阻抗控制和滑?？刂平o出了固定時延情況[20]、時延未知[21-22]以及未知固定通信時延和不確定干擾信息的情況[23]下雙人遙操作系統(tǒng)的控制方法。

不難發(fā)現(xiàn)，無論是選取控制權(quán)重還是優(yōu)勢因子，共享控制系統(tǒng)的共享程度都是由一個參數(shù)α決定，尤其是在雙主單從的三邊共享控制中(如圖1 所示)，主從手的控制結(jié)構(gòu)是對稱的。本文提出一種包含通信時延的非對稱的控制結(jié)構(gòu)，即各主從操作端的優(yōu)勢因子不同，從而增加主從手的操作靈活性，并以此分析不同參數(shù)的選擇對系統(tǒng)運動學特性的影響。

1 非對稱共享控制模型

主從機器人的一般動力學模型可以描述為

(1)

操作者和環(huán)境的動力學通常在任務(wù)空間進行描述，本文的操作者和環(huán)境采用線性時不變(LTI)模型，即

(2)

式中：Zm1=Mm1s,Zm2=Mm2s和Zs=Mss，Mm1、Mm2和Ms分別為主從手阻抗的質(zhì)量模型參數(shù)，s為拉普拉斯算子；Fcm1、Fcm2和Fcs為主從手的控制力，采用基于位置反饋信息的雙通道模型表示為

(3)

式中：Cm1=Bm1+Km1/s、Cm2=Bm2+Km2/s和Cs=Bs+Ks/s，Bi和Ki(i=m1,m2,s)均為主從手PD控制器中的阻尼和剛度系數(shù)；Zcm1=Zm1+Cm1，Zcm2=Zm2+Cm2和Zcs=Zs+Cs為PD控制下的主從動力學阻抗；Vh1d、Vh2d和Ved分別為主手和從手的期望速度，假設(shè)主手間間距相比于主從手間距可以忽略且兩主手與從手間通信時延相同，則有

(4)

式中：α1、α2和α3分別為非對稱共享控制中的優(yōu)勢因子；T為主從手之間的通訊時延。若式(4)中的優(yōu)勢因子取為α1=α2=α3=α，則非對稱共享控制與傳統(tǒng)共享控制的表達式相同，所以傳統(tǒng)共享控制是非對稱共享控制的一個特例。參照文獻[13-14]中的共享控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，多邊非對稱共享控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 非對稱共享控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Fig.2 System structure of asymmetric shared control

將雙人系統(tǒng)表示成一種三端口網(wǎng)絡(luò)的形式，其具體形式為[24]

Y=HU

(5)

式中：H為混合矩陣，其具體表達式為

H=

U=GY

(6)

理想情況下，主手可以完全感受到從手的作用力，從手的運動由主手的共同作用得到，即滿足

則此時混合矩陣的理想值Hideal為

此外，在雙人操作訓練過程中，還希望被訓練者(通常為主手2)能跟隨訓練者(主手1)的運動變化，從手作用力也由兩主手共同決定[14]，即滿足

則G的理想值Gideal為

在共享控制中，若令α=1，那么式(4)可以化為Vh1d=Vee-sT和Ved=Vh1e-sT，此時共享控制變?yōu)橹魇?和從手之間的雙通道雙邊控制系統(tǒng)；同時由于Vh2d=Vh1，則此時主手2完全被主手1控制，從而無法直接接收從手信息。同樣，當α=0時，可以實現(xiàn)主手2與從手的雙邊控制，且主手1也完全由主手2所控制。

根據(jù)式(4)可知，通過設(shè)定統(tǒng)一的優(yōu)勢因子α即傳統(tǒng)雙人共享控制，不可能同時滿足Hideal和Gideal的要求。而在非對稱共享控制中，當α1和α2滿足α1=1，α2=0時，即可得到Hideal和Gideal的值，α3可以看作共享控制權(quán)重(也為優(yōu)勢因子)，表示主手對從手操作的不同影響程度，從而獲取更為理想的控制效果。

2 運動學性能分析

2.1 性能分析標準

文獻[13]通過構(gòu)建透明性轉(zhuǎn)換阻抗及相關(guān)函數(shù)來分析系統(tǒng)性能。參照該文，定義非對稱共享控制的傳遞阻抗為

(7)

將式(1)～式(4)代入式(7)可得

Zto1=Zcm1-

式中：

(1-α3)(1-α2)ZcsZcm2e-2sT

根據(jù)主手1和主手2的對稱性，函數(shù)Zto2可以通過將Zto1中的參數(shù)及阻抗α1、1-α1、α3、Zh1、Zcm1和Zcm2替換為1-α2、α2、1-α3、Zh2、Zcm2和Zcm1得到，故本文將主要討論對主手1的影響。

在傳遞阻抗函數(shù)的基礎(chǔ)上分別定義以下4個函數(shù)，以分析優(yōu)勢因子和阻抗值的變化對系統(tǒng)操作透明性和運動跟隨性的影響。

定義1 透明性轉(zhuǎn)換函數(shù)Gt

式中：Zto為傳遞阻抗。Gt指標用于分析系統(tǒng)的透明性，理想情況下，Gt的幅頻值和相頻值分別為1和0。

定義2 可實現(xiàn)阻抗范圍Zto1width

Zto1min=Zto1|Ze=0

Zto1max=Zto1|Ze→∞

Zto1width=Zto1max-Zto1min

函數(shù)Zto1width表示Zto1在Ze發(fā)生變化時的變化范圍，理想情況下,Zto1min=0,Zto1width→∞。

定義3 性能測度函數(shù)Disp(α1,α2)

Disp(α1,α2)=Zto1(1,0)-Zto1(α1,α2)

式中：Zto1(α1,α2)為α1和α2變化時的Zto1值；Zto1(1,0)為理想情況(α1=1,α2=0)下的Zto1值。Disp(α1,α2)用于分析優(yōu)勢因子α1和α2的變化(α3取任意值)對于透明性的影響，

定義4 傳遞阻抗比函數(shù)Ht

函數(shù)Ht用來分析操作過程中的參數(shù)變化對兩主手間運動跟隨性(即耦合效果)的影響。

2.2 非對稱共享控制性能分析

2.2.1 透明性轉(zhuǎn)換函數(shù)

考慮α3表示共享控制中的優(yōu)勢因子，為了分析各參數(shù)對Gt的影響，在考慮時延對仿真結(jié)果的影響時，取T=1.5s，其他系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其中，M、B和K分別為阻抗的質(zhì)量、阻尼和剛度系數(shù)。

表1 數(shù)值分析參數(shù)

首先固定α3=0.5，討論中等接觸環(huán)境、寬松控制情況下，不同α1和α2的變化對Gt幅頻變化的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同α2且α1等差變化下Gt的幅頻變化

Fig.3 Amplitude-frequency variations of Gtwith constant α2and equidifferent α1

圖4 不同α1且α2等差變化下Gt的幅頻變化

Fig.4 Amplitude-frequency variations of Gtwith constant α1and equidifferent α2

對于主手1，α1=1、α2=0為理想透明度，其他情況下的幅頻響應(yīng)曲線距離其越遠則表示透明性越差。由圖3和圖4不難看出，α1和α2對于Gt幅頻變化的影響效果相反。當α3固定時，取α1=1，改變α2，或者取α2=0，改變α1，對Gt的幅頻變化影響較小。

進一步分析α3對Gt幅頻變化的影響。選α2為理想值α2=0，α1取等差數(shù)值，得到Gt的幅頻變化曲線，如圖5所示。圖6為無時延影響下，不同α3和α1等差變化下Gt的幅頻變化曲線。

從圖5中可以看出，隨著α3的增大，Gt的幅頻變化也逐漸增大。當α3=0時，Zto1=Zcm1相當于主手1控制自身運動，主手2實現(xiàn)雙邊共享控制；當α3=0.5時，雖然主手2不會受到主手1的直接控制，但是會通過從手與主手1之間存在一定的交互；當α1=1,α3=1時，為主手1與從手的雙邊控制。由圖5與圖6的結(jié)果比較可知，當時延增大時，優(yōu)勢因子α1和α2對Gt幅頻變化(尤其是高頻)的影響減弱。

2.2.2 阻抗性能范圍

根據(jù)Zto1min、Zto1max和Zto1width的定義可得

圖5 不同α3且α1等差變化下Gt的幅頻變化

Fig.5 Amplitude-frequency variations of Gtwith constant α3and equidifferent α1

圖6 無時延影響時不同α3和α1等差變化下Gt的幅頻變化

Fig.6 Amplitude-frequency variations of Gtwith constant α3and equidifferent α1without time delay influence

表2 傳遞阻抗的極值

Zto1min的取值范圍與時間延遲環(huán)節(jié)有關(guān)，當T→0 s時，e-2sT→1，取α1=1，Zto1min的最小值取極小值0；當T→∞時，取α1=0，Zto1min的最小值為

此時，Zto1min與Zto1max的變化范圍相同。理想情況下，Zto1min→0且Zto1width→∞，由表2不難得出當α2=0,α3=1時，Zto1width取最大值。同時由于受到系統(tǒng)穩(wěn)定條件的限制，時延T會小于一定閾值，故當T→0 s時，Zto1width取最大值的條件為α2=0,α1=α3=1，此時α1和α2為理想值。取優(yōu)勢因子為α1=1,α2=0并化簡Zto1width，分析α3取值對表現(xiàn)性能的影響。

進一步的，當T→0 s時，綜合Zto1width的表達式，不難得出主手2的阻抗值Zh2和Zcm2對Zto1width的影響，如表 3所示。

表3 主手2的阻抗值對Zto1width的影響

通常情況下，Zh2?Zcm2，選取較大的主手的控制增益Zcm可以減小優(yōu)勢因子變化對阻抗性能范圍的影響。

2.2.3 性能測度

根據(jù)Disp(α1,α2)的定義，有

共享控制中，當α=0時，有

顯然，Disp(0)與Zh2無關(guān)，在非對稱共享控制中，有

除了時延T之外，Disp(0,1)還受α3和Zh2的影響，并且Disp(0,1)的值隨著α3的增加而減小。由分析可知，α1和α2對Zto1性能變化的影響效果相反，故在討論不同Zh2值下的Disp幅頻變化時，取α3=0.5、T=1.5 s、α1和α2等差變化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同α1、α2下Zh2值對Disp幅頻的影響

Fig.7 Amplitude-frequency variations of Dispwith different Zh2and varying α1,α2

取Zh2為中等操作阻抗，分別針對自由運動、軟環(huán)境、中等環(huán)境和硬操作環(huán)境下Disp的幅頻變化進行比較分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同操作環(huán)境下的Disp幅頻變化

Fig.8 Amplitude-frequency changes of Dispwith different manipulating environments

由圖7可知，僅改變操作阻抗對|Disp|的幅頻值變化影響較??；與圖8結(jié)果相比較可知，環(huán)境阻抗Ze對|Disp|幅頻相應(yīng)特性的影響大于操作阻抗Zh2。由于在實際操作中，操作阻抗的變化范圍要遠小于環(huán)境阻抗的變化，故操作阻抗的變化(尤其是硬操作環(huán)境中)對系統(tǒng)透明性的影響較小，這與共享控制結(jié)果類似[13]。

2.2.4 傳遞阻抗比

在共享控制中，當α=1時，

此時，根據(jù)Vh1和Vh2的關(guān)系，可得

(8)

當Zcm2?Zh2時，有Vh2≈Vh1，說明此時主手2的速度Vh2對主手1的速度Vh1具有很好的跟隨性。在非對稱共享控制中，當α1=1,α2=0時

Vh2=

K(α3)Vh1

K(α3)隨著α3的增加而增加，當α3=1時，有

(9)

根據(jù)Ht的定義：

Ht=[α2(Ze+Zcs)Zcm2+(1-α2)α3·

ZcsZcm2e-2sT]/[(Ze+Zcs)(Zcm2+Zh2)-

(1-α3)(1-α2)ZcsZcm2e-2sT]

在中等操作環(huán)境下，采用緊控制方式，時延T=1.5s，α3和α2等差變化，對Ht幅頻變化進行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同α3且α2等差變化下Ht的幅頻變化

Fig.9 Amplitude-frequency variations of Htwith different α3and equidifferent α2

理想的速度跟蹤情況下Ht=1，幅頻值為0。則由圖9不難得知，隨著α2的增大，運動跟隨性越好；α3則會影響Ht隨α2變化的疏密程度。當α3增加時，Ht的幅頻變化變密，且受到時延的影響，低頻情況下Ht的幅頻變化更為明顯，所以增加α2或者α3可以增加Vh2對Vh1的跟隨性。

進一步根據(jù)式(9)和Ht的定義分析阻抗參數(shù)對Ht的幅頻的影響，增大Zcs和Zcm2或者當Ze和Zh2較小的情況下都會增加Vh2對Vh1的跟隨性。結(jié)合Vh1對Vh2的運動跟隨性可知，增加Zcs或Ze較小時，主手之間的耦合程度會有所增加。

3 仿真與實驗

3.1 仿真

包含3個仿真實驗，條件如表1所示。

3.1.1 小時延情況下非對稱共享控制與傳統(tǒng)共享控制的對比實驗

圖10 不同α時傳統(tǒng)雙人共享控制下的位置和力比較

Fig.10 Comparison of positions and forces in shared control with different α

圖11 不同α3時(α1=1,α2=0)非對稱共享控制下的位置和力比較

Fig.11 Comparison of positions and forces in ideal asymmetric shared control with α1=1,α2=0 and different α3

從圖10中可以看出，當時延較小時，選取不同的α值，主手與從手的位置幅值變化也不同。當α=0時，兩主手之間的距離差較小，主手2的控制力與從手相重合，說明主手2對從手完全控制，主手1處于被動控制；由于此時主手2與從手之間為理想雙邊控制，主手1與主手2之間的差別反映為主手1與理想雙邊控制情況下位置和力的差距。當α=0.5時，兩主手均與從手作用，從手作用力的幅值位于兩主手之間。當α=1時，主手1與從手實現(xiàn)雙邊控制，其效果與α=0時，主手2對從手的效果相同。在共享控制中，主從手的位置和作用力幅值會隨著α值的變化而變化。

圖11為理想情況下(α1=1,α2=0)選取不同的α3值時，非對稱共享控制下的主從手位置和力的變化情況。當α3=1時，兩主手受力的幅值相同，但是會存在相位上的差異。在作用力上，從手作用力與主手2作用力的曲線重合，說明此時主手2完全控制從手；與傳統(tǒng)雙人共享控制α=0時情況不同的是，兩主手與從手的幅值差更小，說明此時主手1雖然沒有與從手形成雙邊控制，但是仍能較好地感受到從手的作用力。同樣分析α3=0.5及α3=1的情況，不難發(fā)現(xiàn)雖然主手間的跟隨效果不如傳統(tǒng)雙人共享控制，但是主從手的作用力幅值并沒有發(fā)生較大的變化。由此可以得出結(jié)論：在非對稱共享控制中，僅調(diào)節(jié)優(yōu)勢因子參數(shù)α3即可實現(xiàn)傳統(tǒng)雙人共享控制中的控制權(quán)從主手2到主手1的轉(zhuǎn)化，同時還可以保證兩主手相對于從手都具備較好的透明性。

可以通過進一步的仿真實驗證明當α1的值減小、α2的值增加時，兩主手與從手的控制作用力幅值差變化增大，說明此時系統(tǒng)的透明性變差。

3.1.2 大時延對傳統(tǒng)共享控制與非對稱共享控制影響效果的對比實驗

與3.1.1節(jié)比較，分析大時延對傳統(tǒng)雙人共享控制和非對稱共享控制效果的影響。分別取T=1 s和T=5 s，其他控制條件與3.1.1節(jié)相同，仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

將圖12(b)、圖13(b)與圖10(b)、圖11(b)相比較不難發(fā)現(xiàn)，在大時延影響下，傳統(tǒng)雙人共享控制中的主從手位置和作用力的幅值和跟隨性都具有較大變化；而且隨著時延的增加，從手位置和作用力的幅值與主手比例明顯減小。但是在非對稱共享控制中，除了從手幅值與主手比例減小外，兩主手之間的相對位置并未發(fā)生較大變化。由非對稱共享控制的運動學特性可知，通過調(diào)節(jié)控制阻抗可以增強從手對主手位置或作用力的跟隨性。

圖12 α=1時，不同時延對傳統(tǒng)雙人共享控制中主從手的位置和力的影響

Fig.12 Influence of different delays on positions and forces of masters and slave in shared control method with α=1

圖13 α3=1時(α1=1,α2=0)，不同時延對非對稱共享控制中主從手的位置和力的影響

Fig.13 Influence of different delays on positions and forces of masters and slave in asymmetric shared control method with α3=1 (α1=0,α2=1)

3.1.3 非對稱共享控制主手間運動跟隨性的仿真

圖14 非對稱共享控制中參數(shù)變化對跟蹤性的影響

Fig.14 Influence of varying parameters on position tracking performance in asymmetric shared control

3.2 實驗

通過實驗驗證非對稱共享控制的有效性，具體實驗設(shè)計如下：通過Visual Studio 2005和Chai 3D 建立虛擬可視化實驗平臺，兩位操作人員分別利用PHANToM和Omega手控器對平臺對象進行控制，系統(tǒng)采用非對稱共享控制，從手也使用具有虛擬質(zhì)量和阻抗的點等效，如圖15所示。

實驗平臺中，繪制0.03 m×0.03 m的矩形，如圖15所示，并要求兩主手控制從手點沿著矩形邊界運動一周，其中紅圈所在位置為出發(fā)點。非對稱雙人共享控制操作平臺如圖16所示。

圖15 主從手預(yù)定軌跡示意圖

Fig.15 Sketch map of planned trajectory of masters and slave

圖16 非對稱雙人共享控制操作平臺

Fig.16 Manipulative platform of asymmetric dual-user shared control

由于兩操作手為非相同結(jié)構(gòu)，在對操作機構(gòu)重力抵消的基礎(chǔ)上，對主從手設(shè)定相同的虛擬質(zhì)量阻抗。為了保證從手具有較好的位置跟隨性，在實驗中，PD控制的參數(shù)選取要大于仿真數(shù)據(jù)。取Mm1=Mm2=Ms=5 kg,Bm1=Bm2=Bs=10 N·s/m,Km1=Km2=Ks=200 N/m，當α1=1,α2=0,α3=0.5時，從手操作環(huán)境為軟環(huán)境，參數(shù)如表1所示，時延T=1.2 s，實驗結(jié)果如圖17～圖19所示。

當α3=0.5時，從手由兩個主手共享控制，且兩主手對從手的控制效果相同，由圖17～圖19可知，此時從手的位置處于兩主手之間，且會隨著主手的變化而變化。雖然受到時延影響，主手的控制速度也不同，但是通過非對稱共享控制方法，兩主手均能感受到從手作用力的變化，具有較好的透明性。

圖17 主從手運動軌跡圖

Fig.17 Trajectories of masters and slave

圖18 主從手X軸和Y軸上的位置

Fig.18 Positions of masters and slave in X axis and Y axis

圖19 主從手作用力

Fig.19 Control forces of masters and slave

4 結(jié) 論

相比于傳統(tǒng)共享控制，非對稱共享控制通過調(diào)節(jié)參數(shù)(包括優(yōu)勢因子、控制阻抗等)可以增強系統(tǒng)操作的透明性和抗時延影響。

1) 在透明性方面，增大主手1或減小主手2的優(yōu)勢因子可以增強主手操作的透明性并減小主手間的相互影響；選取較大的控制增益、控制阻抗、較硬的操作環(huán)境和較大時延時，可以減小透明性的波動范圍。大時延環(huán)境下，相比于傳統(tǒng)雙人共享控制，非對稱雙人共享控制具有較好的抗時延影響特性，主手間的控制作用力差值較小。

2) 在跟隨性方面，減小主手1的優(yōu)勢因子α1或增大主手2的優(yōu)勢因子α2、增加控制增益或減小被訓操作者的操作阻抗可以增加主手之間的耦合程度，即增加主手之間的運動跟隨性。

目前共享控制已經(jīng)在遙操作的訓練中得到一定的應(yīng)用，非對稱雙人遙操作系統(tǒng)通過設(shè)定多個優(yōu)勢因子并按照相應(yīng)的準則進行調(diào)節(jié)，可以提高操作的靈活性、透明性和運動跟隨性。在此基礎(chǔ)上，可以進一步針對兩主手的操作功能作出劃分，例如主手1可以作為輔助操作手并對主手2的操作進行監(jiān)督和保護，或者與主手2進行協(xié)同操作，減小主手2在實時操作過程中的由于肌肉顫抖等原因造成的操作誤差，這在空間精細操控和操作員切換操作起到作用。

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鹿振宇 男， 博士研究生。主要研究方向： 空間機器人遙操作。

Tel: 029-88460366

E-mail: lzy_robot@163.com

黃攀峰 男， 博士， 教授， 博士生導(dǎo)師。主要研究方向： 空間繩系機器人， 空間機器人遙操作技術(shù)。

Tel: 029-88460366

E-mail: pfhuang@nwpu.edu.cn

戴沛 男， 碩士研究生。主要研究方向： 空間機器人遙操作技術(shù)。

Tel: 029-88460366

E-mail: daipei@qq.com

Received： 2015-03-02； Revised： 2015-05-13； Accepted： 2015-07-28； Published online： 2015-08-28 09:25

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20150828.0925.006.html

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*Corresponding author. Tel.： 029-88460366 E-mail: pfhuang@nwpu.edu.cn

Asymmetric dual-user shared control method and its performanceanalysis for space teleoperation

LU Zhenyu1,2, HUANG Panfeng1,2,*, DAI Pei1,2

1.ResearchCenterforIntelligentRobotics,SchoolofAstronautics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China2.NationalKeyLaboratoryofAerospaceFlightDynamics,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

The technique of multi-master multi-salve teleoperation is one of future space teleoperation tendencies. After summarizing the current studies about dual-master single slave teleoperation control mode, we propose a kind of asymmetric dual-user shared teleoperation method for space manipulation. Firstly, we analyze the ideal transparency of dual-user teleoperation, discriminate the difference of multi-dominant parameters and build the model of asymmetric dual-user teleoperation system under the influence of delay. Then the functions of transparency transfer, range of achievable impedance, performance distance and transmitted impedance rate are built to compare and analyze the influence of dominant parameters, control impedance and environment impedance to the kinesthetic performance of dual-user teleoperation. Finally, the simulations and experiments are taken to certify the effectiveness of the proposed method. The simulation results represent that the transparency and the anti-delay performance of the asymmetric dual-user shared control method are better than the traditional method.

teleoperation; asymmetric dual-user shared control; dominant parameters; performance analysis; transparency

2015-03-02；退修日期：2015-05-13；錄用日期：2015-07-28； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間： 2015-08-28 09:25

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.Tel.： 029-88460366 E-mail: pfhuang@nwpu.edu.cn

鹿振宇， 黃攀峰， 戴沛. 面向空間遙操作的非對稱雙人共享控制及其性能分析[J]. 航空學報， 2016, 37(2): 648-661. LU Z Y, HUANG P F, DAI P. Asymmetric dual-user shared control method and its performance analysis for space teleoperation[J]. Acta Aeronautica et Astronuatica Sinica, 2016, 37(2): 648-661.

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10.7527/S1000-6893.2015.0211

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