臺灣博碩士論文加值系統

本論文針對雙向遠端遙控系統之網路不確定性問題提出因應架構。在雙向遠端遙控系統中各機器人藉由通訊網路將位置與速度等狀態輸出给彼此之控制器，因此控制器藉由收到之訊號與本地機器人狀態產生控制輸出。進行傳輸之通訊網路可能遭逢不確定性影響，包括時變時間延遲、固定時間延遲、封包遺失等，此導因於傳輸的距離或是硬體計算的限制，甚至是網路負擔過大等問題。
此處因應網路不確定性所設計之架構可分為:固定時間延遲與封包遺失下使用波函數轉換(Wave-Variable Transformation)與波函數調變(Wave-Variable Modulation)之架構、固定時間延遲下因應網路擁塞使用事件觸發傳輸機制(Event-Triggered)與波函數轉換之架構、固定時間延遲下使用P-或PD-based之控制器並加入事件觸發傳輸機制。事件觸發傳輸機制主要希望可減少網路負擔以減少壅塞現象。論文中所提出的架構使用Lyapunov穩定性方法分析以獲得系統在網路不確定性影響下之相應的穩定性條件，並確保系統追蹤效能。除穩定性外，本論文針對使用P-與PD-based的控制架構，提供了雙向遠端遙控系統在穩態時受遠端環境力時力矩回饋的證明，即能保證力量回饋的效果。
所提出的架構首先將以數學理論作分析，再將其模擬並以實驗驗證，以討論其差異。力量回饋在雙向遠端遙控系統中十分受到重視，因此本論文在實驗中使用力量感測器對兩邊機械手臂所受外力矩量測並記錄比較。實驗結果驗證所提出之架構在網路不確定性下能獲得穩定的追蹤效能，並且存在力回饋的機制或趨勢。

In this thesis, control structures are proposed to deal with network uncertainties such as packet loss, constant delays, and network congestion in bilateral teleoperation. In bilateral teleoperation, the teleoperators transmit their states or outputs to each other via network. Network uncertainties are induced from transmission distance, equipment limitation, and especially overloading network.
The topic can be broken into four parts. The first part is teleoperation under constant delays and packet loss using wave-variable transformation (WVT) and wave-variable modulation (WVM). The second is teleoperation using event-triggered communication and WVT under constant delays. For the third and fourth parts, we utilize event-triggered communication on P- or PD-based controllers with damping injection under constant delays. Besides, force-feedback is acheivable with the use of the proposed P- and PD-based control architectures.
The proposed teleoperation structures are analyzed using nonlinear control theory, and verified using simulations and experiments. The results are further compared and discussed. The simulation and experiment results show the asymptotical stability of the proposed structures, and external force was measured and recorded by force sensors to verify the force-feedback efficacy. Besides, the event-triggered communication lowers the transmission frequency.

目錄
第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究動機與目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
第二章理論背景與系統介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 Lyapunov穩定性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 非自主系統穩定特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 Lyapunov 函數與基本定理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Barbalat’s Lemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 被動性原理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 機械手臂系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1 機器人動力方程特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 時間延遲之雙向遠端遙控. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 波函數轉換與適應性控制架構. . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.2 P-與PD-based控制器與阻尼控制(Damping Injection) . . . . 21
2.5 網路壅塞與事件觸發機制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.1 事件觸發控制[12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2 事件觸發資訊傳輸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
第三章波函數調變與封包遺失. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.1 固定延遲網路分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 波函數調變補償封包遺失. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.1 系統模擬驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
第四章事件觸發與網路壅塞. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 適應性控制與波函數轉換之觸發機制分析. . . . . . . . . . . . . . 33
4.1.1 系統模擬驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 P-based控制器與事件觸發機制之系統分析. . . . . . . . . . . . . . 44
4.2.1 系統模擬驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 PD-based控制器與事件觸發機制之系統分析. . . . . . . . . . . . . 56
4.3.1 系統模擬驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4 結論與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
第五章實驗架設與結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1 實驗架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.1 實驗平台架設. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.1.2 PHANToM Omni 六軸機器人. . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.1.3 力量感測器與座標轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 波函數調變與封包遺失實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 適應性控制架構與事件觸發機制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4 P-based控制架構與事件觸發機制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.5 PD-based控制架構與事件觸發機制實驗. . . . . . . . . . . . . . . 87
5.6 實驗結果比較與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
第六章結論與未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.2 未來展望. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A. Experiment Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A-1. Packet Loss and Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
A-1-1. Packet Loss and Reconstruction(WVM) . . . . . . . . . . 100
A-1-2. Packet Loss and Reconstruction(CMM) . . . . . . . . . . 124
A-1-3. The UDP Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
A-2. Event-Triggered Teleoperation using Scattering Transformation 134
A-3. Event-Triggered Teleoperation using P-based Control . . . . . 143
A-4. Event-Triggered Teleoperation using PD-based Control . . . . 151
圖目錄
1.1 單向遠端遙控系統示意. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 雙向遠端遙控系統示意. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 傳統控制器與事件觸發控制器示意. . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 應用事件觸發機制之雙向遠端遙控系統示意. . . . . . . . . . . . . 7
1.5 論文架構圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1 穩定性示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 適應性控制雙向遠端遙控系統[14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 使用波函數調變之控制架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 二軸機械手臂示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 遠端遙控系統使用ZOS補償封包遺失之模擬結果，其中實線為近
端機器人，虛線為遠端機器人。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 遠端遙控系統使用WVM補償封包遺失之模擬結果，其中實線為
近端機器人，虛線為遠端機器人。. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1 適應性控制與波函數轉換之觸發控制. . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 使用波函數轉換與事件觸發機制之雙向遠端遙控系統模擬之結
果，圖為機械手臂之角度與外力τh與−τe，δ = 0.5。. . . . . . . . . 42
4.3 使用波函數轉換與事件觸發機制之外力模擬結果. . . . . . . . . . 42
4.4 近端機器人使用波函數轉換與事件觸發機制之雙向遠端遙控系統
模擬之結果。上圖為兩端機械手臂之觸發時間點與與上次觸發時
間點之時間間隔，而下圖為不等式(4.12)的表示，虛線為不等式
的右半面， δ = 0.5。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5 遠端機器人使用波函數轉換與事件觸發機制之雙向遠端遙控系統
模擬之結果。上圖為兩端機械手臂之觸發時間點與與上次觸發時
間點之時間間隔，而下圖為不等式(4.12)的表示，虛線為不等式
的右半面， δ = 0.5。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.6 使用波函數轉換與事件觸發機制之雙向遠端遙控系統模擬之結
果，圖為兩端機械手臂之觸發時間點與與上次觸發時間點之時間
間隔，δ = 0.2。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.7 事件觸發P-based控制架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.8 P-based控制架構下機器人各關節角度與各關節所受之外力矩，使
用Br = Bl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.9 使用P-based事件觸發機制架構之外力模擬結果，Br = Bl =7 . . . 54
4.10 P-based控制架構下近端機器人的觸發條件式示意與相對應之事件
觸發時間點，使用Br = Bl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.11 P-based控制架構下遠端機器人的觸發條件式示意與相對應之事件
觸發時間點，使用Br = Bl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.12 P-based控制架構下機器人各關節角度與各關節所受之外力矩，使
用Br = Bl =9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.13 P-based控制架構下近端機器人的觸發條件式示意與相對應之事件
觸發時間點，使用Br = Bl =9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.14 P-based控制架構下遠端機器人的觸發條件式示意與相對應之事件
觸發時間點，使用Br = Bl =9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.15 事件觸發PD-based控制架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.16 PD-based控制架構下機器人各關節角度圖，使用Br = Bl =7 . . . 65
4.17 使用PD-based事件觸發機制架構之外力模擬結果，Br = Bl = 7 . . 66
4.18 PD-based控制架構下近端機器人的觸發條件式示意與相對應之事
件觸發時間點，使用Br = Bl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.19 PD-based控制架構下遠端機器人的觸發條件式示意與相對應之事
件觸發時間點，使用Br = Bl =7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.20 使用波函數轉換架構下有無使用事件觸發之收斂速率比較. . . . . 69
4.21 使用P-based控制器下有無使用事件觸發之收斂速率比較. . . . . . 69
5.1 實驗硬體擺設. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 第三章實驗架構示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.3 第四章實驗架構示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4 PHANToM Omni 規格. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5 Phantom Omni 可驅動之三軸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.6 PHANToM Omni示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.7 使用WVM架構實驗，左圖為兩機器人的角度追蹤圖，右圖為同
時間施加於兩機器人的外力. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.8 使用ZOS架構實驗，近端機器人與遠端機器人各關節角度與追蹤
誤差。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.9 使用CMM架構實驗，近端機器人與遠端機器人各關節角度與追蹤
誤差。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.10 使用事件觸發機制與波函數轉換架構實驗，左圖為兩機器人的角
度追蹤圖，右圖為同時間施加於兩機器人的外力矩。. . . . . . . . 80
5.11 使用事件觸發機制與波函數轉換架構所受之外力(卡式座標)實驗
結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.12 使用事件觸發機制與波函數轉換架構實驗，兩機器人的追蹤誤差。81
5.13 使用事件觸發機制與波函數轉換架構實驗，近端機器的事件觸發
條件式示意，虛線為觸發條件不等式(4.12)之觸發門檻，實線為
觸發誤差。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.14 使用事件觸發機制與波函數轉換架構實驗，遠端機器的事件觸發
條件式示意，虛線為(4.12)之觸發門檻，實線為觸發誤差。. . . . 82
5.15 不同αl = αr下α_l/2+(*T_l^2)/(2α_r )之值. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.16 固定延遲下使用P-based控制架構實驗中兩機器人的角度追蹤圖. . 84
5.17 固定延遲下使用P-based控制架構實驗中兩機器人的追蹤誤差圖. . 85
5.18 固定延遲下使用P-based控制架構實驗中兩機器人透過力感測器紀
錄的外力矩τh與−τe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.19 P-based控制架構實驗結果，操作中所受之外力(卡式座標) . . . . . 86
5.20 固定延遲下使用P-based控制架構實驗中近端機器的事件觸發條件
式示意，虛線為(4.46)之觸發門檻，實線為觸發誤差。. . . . . . . 86
5.21 固定延遲下使用P-based控制架構實驗中遠端機器的事件觸發條件
式示意，虛線為(4.46)之觸發門檻，實線為觸發誤差。. . . . . . . 87
5.22 固定延遲下使用PD-based控制架構實驗中兩機器人的角度追蹤圖. 88
5.23 固定延遲下使用PD-based控制架構實驗中兩機器人的追蹤誤差圖) . 89
5.24 固定延遲下使用PD-based控制架構實驗中兩機器人透過力感測器
紀錄的外力矩τh與−τe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.25 PD-based控制架構實驗結果，操作中所受之外力(卡式座標) . . . . 90
5.26 固定延遲下使用PD-based控制架構實驗中近端機器的事件觸發條
件式示意，虛線為(4.86)之觸發門檻，實線為觸發誤差。. . . . . . 90
5.27 固定延遲下使用PD-based控制架構實驗中遠端機器的事件觸發條
件式示意，虛線為(4.86)之觸發門檻，實線為觸發誤差。. . . . . . 91
表目錄
4.1 事件觸發架構整理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.2 P-based與PD-based比較下的優缺點. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.1 各觸發架構下實驗之觸發頻率整理. . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

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