基于Internet力觉临场感遥操作机器人系统的研究

【４０】第２８卷第１１期２００６－１１制造业自动化基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ力觉临场感遥操作机器人系统的研究郭晓波, 宋爱国（东南大学 仪器科学与工程系, 江苏 南京 210096）摘要：虽然Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术扩大了遥操作机器人系统的应用范围，同时也带来了新的问题——时延。针对不同性质的时延本文综述了基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ力觉临场感遥操作机器人系统的国内外发展状况、系统构成以及为解决时延问题提出的遥操作系统的主要控制方法并指出了各方法的优缺点，最后展望了其发展前景。关键词：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ；遥操作；机器人；时延中图分类号：ＴＰ２４２文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－０１３４（２００６）１１－００４０－０６Research on Internet-based force reflecting telerobot systemGUO Xiao-bo, SONG Ai-guo(Department of Instrument Science and Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｒｅｃｅｎｔｌｙ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｅｎｌａｒｇｅｄ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍｓ’　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｂｒｏ－ｕｇｈｔ　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ　ａ　ｎｅｗ　ｐｒｏｂｌｅｍ．　Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｐｒｏｂｌｅｍ，　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ，　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ－ｂａｓｅｄ　ｆｏｒｃｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄｉｔｓ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｉｅｓ．　Ｆｉｎａｌｌｙ　ｉｔｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ａｒｅ　ｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ： Ｉｎｔｅｒｎｅｔ；　ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ；　ｒｏｂｏｔ；　ｔｉｍｅ　ｄｅｌａｙ

收稿日期：２００６－０６－２７基金项目：国家自然科学基金（６０４７５０３４）；霍英东教育基金（９１０５５）作者简介：郭晓波（１９７６－），男，河南安阳人，在读博士生，研究方向为基于网络遥操作机器人技术。

0 引言２０世纪８０年代对智能机器人的研究表明，由于机构、控制、人工智能和传感技术水平的限制，在短时间内尚难以研制出能在未知或复杂环境下工作的全自主式智能机器人。但随着诸如空间探索（卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探）、海洋开发（海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海底考古等）以及国防建设（战场、防化、扫雷、救护等）等领域的发展，迫切需要大量工作在危险和危害人体健康等环境下的高级机器人。因此将互联网通信技术引入到机器人系统中成为机器人学和控制学领域的研究热点之一。在过去的几十年中，基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ力觉临场感遥操作机器人系统受到了越来越广泛的关注和研究。尤其是近几年来，计算机网络技术的飞跃发展给交互式远程遥操作机器人技术提供了广阔的应用空间［１］。遥操作力觉临场感机器人系统是在人的操纵下能在人难以接近或对人有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。它是指操作者对本地主机械手进行操作，远地从机械手跟踪主手的运动，从而完成远程复杂或危险环境下的任务。所谓交互技术包括机器人与

人的交互和机器人与环境的交互。前者的意义在于可由人去实现机器人在未知或非确定环境中难以做到的规划和决策；而后者的意义在于可由机器人去完成人所不能到达的恶劣环境或远距离环境中的作业任务。

1 发展状况和系统构成

遥操作机器人的起源可追溯到２０世纪４０年代末，是由于核工业的需要而提出的。随着遥操作和互联网技术的飞速发展，应用在互联网上的机器人技术也在不断的拓展，网上涌现出越来越多的远程控制机器人。不少国家政府和研究机构，尤其是美国、日本和一些西欧等工业发达国家投入大量的人力、物力和财力竞相开发相关技术进行研究和开发，其中包括：遥控作业机器人系统的稳定性分析、时延对临场感系统稳定性的影响、力觉临场感理想性能的实现等。我国８６３高技术计划中，智能机器人主题也已将临场感技术列为关键技术进行研究。并于１９９５年开始陆续有许多高校院所开展了基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的遥操作机器人的研究，其主要集中在解决空间大时延、虚拟环境建模、主操作手的设计、力觉临场感、遥操作控制算法、机器人局部自主等问第２８卷第１１期２００６－１１【４１】

制造业自动化题的研究上，这些方面的研究以清华、东南大学、北航、哈工大、沈阳自动化所、南开、上海交大等为代表。力觉临场感遥控机器人系统主要通过双向力反馈遥控操作系统来实现。力觉临场感遥操作系统原理框图如图１所示，它由操作者、主机械手、通讯环节、从机械手和环境构成。由操作者操纵主机械手运动，通过通信环节控制从机械手并作用于环境，从而完成操作任务，此时要求从机械手跟踪主机械手的运动且环境对从机械手的作用力经过上述环节再返回到操作者手部。操作者能够不失真地感受到从机器人与环境作用时的交互力，即要求临场感系统是透明的。若环境阻抗为Ｚｅ，定义虚拟阻抗Ｚｖ为Ｚｅ一定时力觉临场感系统主机械手的作用力与速度之比，在理想的力觉临场感情况下，有Ｚｖ（Ｓ）＝Ｚｅ（Ｓ）。当系统满足此式时，我们称临场感系统是透明的。基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ力觉临场感遥操作系统与原有的力觉临场感遥操作系统的主要区别是主、从机械手间采用了基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的网络通讯方式，因此通信方式对系统的影响及问题解决方案就自然成为整个力觉临场感系统研究的核心内容。在力觉临场感理想状态下，从机械手工作稳定，从手的速度等于主手的速度，主手受力等于环境对从手的作用力。即ｍ＝ｄ，ｆｄｍ＝ｆｄｓ。然而，由于时延Ｔ　（假定时延时不变，且前向和反向传输时延相等）的存在，ｄ（ｔ）＝ｍ（ｔ－Ｔ），ｆｄｍ（ｔ）＝ｆｄｓ（ｔ－Ｔ）。设离散系统采样周期为Ｔｃ，且Ｔ＝ｄ　Ｔｃ，则ｄ（ｋ）＝ｍ（ｋ－ｄ），ｆｄｍ（ｋ）＝ｆｄｓ（ｋ－ｄ）。图　１ 力觉临场感遥操作系统原理框图由于在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上传速率会随着传输数据量的大小和网络负载有很大的变动，同时也与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ自身工作机制及网络带宽有关，因而会导致不确定时延、大时延、数据包丢失等问题。２０００年，中科院沈阳自动化研究所机器人学开放实验室的一次实验揭示了这一特点：沈阳至香港间ＲＴＴ时延（ＲｏｕｎｄＴｒｉｐ　Ｔｉｍｅ）的平均值在１７００￣２０００毫秒左右，而局域网ＬＡＮ间ＲＴＴ时延值多数为１０毫秒，均值在３０毫秒左右；沈阳至北京间的ＲＴＴ时延的变化率最大值约为０．４；沈阳至香港的一次测试中数据丢失率为７．６７％，另一次为１２．６６％［２］。数据显示沈阳至香港间的ＲＴＴ时延较长，其时延对力觉临场感机器人系统的稳定性和透明性都会造成较不利的影响。１９９４年宾夕法尼亚大学的通用机器人与主动感观知觉实验室（ＧＲＡＳＰ）与隶属于喷气推进实验室的远程机器人操作及智能控制实验室（ＴＲＯＰＩＣＳ）进行了一项穿越国土的遥操作实验，该实验表明当时时延均值６．０８秒，标准偏差为２．４０秒［３］。麻省理工非线性系统实验室１９９８年的一次实验表明：相距４０００ｋｍ的ＭＩＴ和Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ的环路时延（Ｒｏｕｎｄ　Ｔｒｉｐ　ｄｅｌａｙ）均值为０．１秒［４］，与人的反应时间大体相当，可获得相当高的临场感透明性。但时延的变化非常强，可超过５０％快速变化。在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上数据按照包传输协议通信，当数据被一个交换机接收并被转发给下一个交换机时，就产生了时延。而数据包的路由选择能影响Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上包的交换和所路过节点的处理策略，致使Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通信时延成为一个随机变量。由上述美国两次实验对比可以看出：随着网络建设的发展，网络时延均值大为减小，但变时延的问题仍然存在。因而变时延是网络时延的最主要的特点。在闭环系统中，这种波动加上时延将对稳定性造成影响。网络通信时延的波动还造成了信号的畸变，会降低力觉临场感机器人系统的透明性。因此Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络通信的时延的特点造成了基于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ力觉临场感机器人系统的不稳定性和透明性降低。如果设计的控制系统能减小或消除时延对系统的影响，保证系统稳定及良好的透明性，则可以极大增强系统的实用性，提高操作性能。

2 遥操作系统控制方法

为了克服时延并保证在任何未知环境下遥控作业系统的稳定性和透明性，不少研究者在理论和实践上作了许多的探讨。主要分为经典控制方法和虚拟现实控制方法两种控制方案。

2.1 经典控制方法（１）监督控制　监督控制指一个或多个操作者通过间断的程序命令控制以计算机为核心的独立闭环控制系统进行作业，并连续的接收由传感器采集的被控对象或作业环境的信息［５］。从端机器人系统形成具有一定自主能力的独立闭环控制系统，操作者通过任务一级的命令来控制机器人系统，同时得到作业现场的反馈。由于机器人系统自身的闭环回路不存在时延环节，因而时延对系统的稳定性不构成影响。机器人根据接收到的命令进行自己的任务规划，并自主的执行任务。但是监督控制的系统业受到了时延须小【４２】第２８卷第１１期２００６－１１

制造业自动化于执行命令的时间、每个命令应包括整个任务中足够大的一部分和干扰要低带宽等的限制。（２）基于无源性理论的方法在遥操作系统控制方法中，其中一些方法就是

基于无源性理论的。Ａｎｄｅｒｓｏｎ与Ｓｐｏｎｇ［６］提出了基于无源性的耗散理论，Ｓｌｏｔｉｎｅ［４］等进一步提出了波变量的方法来解决时延造成的系统不稳定性。由无源性定理［７］知，只要系统满足一定的无源性条件和系统初始状态及连续条件，则总存在反馈控制律使系统平衡点处渐进镇定［８］。其中Ａｎｄｅｒｓｏｎ与Ｓｐｏｎｇ的无源控制系统采用了无损传输线来模拟通讯环节，从而可以保证通讯环节的无源性。采用此算法的通讯环节可表示如下： （１）

（２）其中：Ｂ为传输线特征阻抗。而基于波变量的无源控制方案如图　２所示。在这种方法中，通讯环节的动态采用波变量来描述：

（３）（４）其中： （５） （６）ｖｓ（ｔ）＝ｕｍ（ｔ－Ｔ）（７）ｖｍ（ｔ）＝ｕｓ（ｔ－Ｔ）（８）显然由式（３）￣（８）所描述的系统等价于由（１）￣（２）所描述的系统，即这两种无源控制是等价的。波变量变换后系统的稳定性与时延无关，这种良好的性质非常有利于在波变量空间内采取控制措施，而不必考虑控制环节对稳定性造成的影响。耗散理论和波变量都基于无源性理论，保证遥操作系统主从端的无源性便可克服因定时延或不定时延造成的不稳定问题。１９９３年Ｌａｗａｒｅｎｃｅ［９］总结了当时出现的控制结构并提出了通用双向力反射结构，并分析了系