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面向事件触发局部通信NRs的力反射分层人机协同遥操作系统研究

一、作者与发表信息

本研究由Jing-Zhe Xu（中国地质大学机械与电子信息学院，学生会员）、Ming-Feng Ge（中国地质大学机械与电子信息学院，会员）、Zhi-Wei Liu（华中科技大学人工智能与自动化学院，会员）、Wen-Yi Zhang及Wei Wei（清华大学电力系统及大型发电设备安全控制与仿真国家重点实验室，高级会员）共同完成，发表于《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2022年3月刊（Volume 69, Issue 3）。研究获中国国家自然科学基金（62073301、61703374、61973133）支持。

二、学术背景

科学领域：本研究属于机器人远程控制与网络化系统（Networked Robotic Systems, NRSs）领域，聚焦多从机器人（Slave Robots）在事件触发通信（Event-Triggered Communication）机制下的协同遥操作问题。
研究动机：传统单主单从（Single-Leader/Single-Follower）遥操作架构难以完成复杂任务，而既有多从机器人研究多基于集中式控制，存在通信成本高、鲁棒性不足等问题。此外，现有力反射（Force-Reflecting）观测器无法在固定时间内收敛，且缺乏基于耗散性（Dissipativity）的固定时间控制理论支撑。
目标：提出一种新型分层控制框架（Force-Reflecting Hierarchical Control, FRHC），实现以下目标：
1. 通过人机协同决策机制动态调整主从机器人间的通信权重，增强任务空间扩展性与容错能力；
2. 开发固定时间力观测器（Fixed-Time Force Observer），快速重构环境交互力；
3. 结合耗散性分析与李雅普诺夫稳定性理论，证明闭环系统的固定时间稳定性。

三、研究流程与方法

1. 系统架构设计

• 通信框架：构建基于图论的分布式通信网络（G=(V,E)），包含长距离通信（主-从）、指令通信（人机交互）与局部通信（从机器人间）。通过事件触发机制（AETF, Asynchronous Event-Triggered Function）降低通信频率。
  
• 控制层级：FRHC框架分为四层：
  
  • 耗散层（DIL）：设计辅助终端滑模面（ATSM）s = e + (λ·ė)^(α2/β2)，结合鲁棒力与等效力实现轨迹跟踪；
    
  • 事件触发层（ETL）：通过异步状态估计器（式9）减少控制器更新次数；
    
  • 固定时间力观测器：基于神经自适应观测器（式11）补偿不确定性，重构环境力（式12）；
    
  • 神经自适应观测器：利用径向基函数神经网络（RBFNN）在线估计状态依赖扰动。
    

2. 实验验证

• 平台搭建：采用Probot Anno机械臂（关节1-2轴）与MATLAB仿真环境，设置通信延迟τm=τs=0.2s，随机初值q(0)∈[-2π/3,2π/3]。
  
• 对比实验：
  
  • 固定时间F2L跟踪：主机器人追踪参考轨迹xd=-0.5+0.5cos(0.3t)，验证从机器人固定时间收敛（理论ts,i=5.12s）；
    
  • L2F权重调整：设置权重w1=0.4, w2=w3=w4=0.2，验证主机器人对从机器人的差异化响应；
    
  • 抗干扰测试：添加高幅值扰动d*=5sin(t)，验证系统鲁棒性。
    

四、主要结果

1. 固定时间收敛性：
   
   • 从机器人跟踪误差es,i在理论时间内收敛至零（图4-5），实验值ts,i≈5.2s与理论值吻合；
     
   • 主机器人误差em收敛时间tm≈4.3s（图10），优于有限时间控制方法（图15）。
     
2. 事件触发性能：控制器更新频率降低50%以上（图6），通信负载显著减小。
   
3. 力观测精度：神经自适应观测器补偿不确定性后，力观测误差f̃e在tf=1/(β1-α1)+1/(α2-β2)内趋零（图8-9），验证了固定时间力观测器的有效性。
   
4. 对比优势：与文献[19]相比，所提方法控制输入幅值降低30%（图12），且抗延迟能力提升（图14）。
   

五、结论与价值

科学价值：
- 提出首个融合耗散性分析与固定时间控制的遥操作框架，填补了分布式NRSs理论空白；
- 开发的分层控制策略为复杂人机协同系统提供了模块化设计范式。
应用价值：
- 可扩展至太空探索、核操作等高风险远程任务；
- 事件触发机制降低了硬件成本，适合大规模机器人集群。

六、研究亮点

1. 方法创新：首次将固定时间控制与事件触发通信结合，解决了传统遥操作系统的延迟敏感性问题；
   
2. 理论突破：通过Lyapunov函数V= s^Ts + 1/2∫(w̃^Tλ^{-1}w̃)统一分析耗散性与稳定性；
   
3. 实验设计：通过多组对比实验（轨迹跟踪、权重调整、抗干扰）全面验证性能。
   

七、其他价值

• 开放性问题：作者指出未来可研究从机器人间时变延迟的补偿策略；
  
• 工程启示：权重动态调整机制为异构机器人协同提供了新思路（备注13）。
  

（报告中专业术语如耗散性/Dissipativity、事件触发/Event-Triggered等均按标准译法首次标注英文原文，后续直接使用中文术语。）