（控制科学与工程专业论文）网络环境中的机器人视觉伺服及融合控制.pdf

摘要 摘要 随着i n t e r n e t 技术的迅速发展，社会经济结构和人们的生活方式都发生了巨大的 变化，以i n t e m e t 为载体的信息与娱乐服务层出不穷。在i n t e m e t 技术广泛应用的同时 也给相关研究提出了很多新课题，这其中包括了基于i n t e m e t 的智能机器人领域的研 究。基于i n t e r n e t 的智能机器人系统不同于本地和遥操作机器人系统，其具有更多的 信息资源和更多的不确定性，因此如何处理网络机器人控制成为了一个挑战性的问 题。本文因此提出了网络机器人控制系统的两个基本问题：1 、任务动态配置，2 、 视觉伺服控制。围绕着这两个问题本文从涉及网络特性的四个相关方面进行了研 究：机器人在动态网络中资源共享方案，移动机器人无标定视觉伺服，时间延迟对 图像雅可比矩阵估计的影响及处理方法，多个摄像头之间的稳定切换方法。 1 动态网络中资源共享：遥操作机器人和早期网络机器人以及部分分布式智能 机器人系统都是采用确定的连接，与它们相比，没有固定控制者和被控对象的分布 式智能机器人系统的极具灵活性、扩展性，可以完成更多类型的任务。但这类系统 的资源共享和控制关系都是难以确定的因而本文在分析了网络特性之后，提出了 一种基于j i n i 的机器人自主感知模型以实现任务动态配置。机器人自主感知模型的基 本思想就是通过对网络信息的自主感知，得到一个临时静态网络，将动态网络问题 转化为一个静态网络问题。该方法通过抽象各种网络实体，对网络信息进行分类搜 索，自主感知实时的网络传感信息，可以动态规划机器人路径。随后以此为基础建 立了单个机器人的服务序列，优化了多机器人的服务序列。最后通过实验检验了机 器人自主感知模型，实现了网络资源的发布、搜索和利用，实时动态建立机器人路 径。 2 移动机器人无标定视觉伺服：对于分布式智能机器人系统，控制者和被控对 象之间的关系是动态确定的，因而无法为整个网络系统建模，也就很难对众多的对 象实现系统标定。因此本文利用无标定视觉伺服控制方法实现在动态网络情况下的 视觉伺服。无标定视觉伺服无须建立图像空间和机器人运动空间的映射关系，通过 估计或学习逼近真实的图象雅可比矩阵。本文指出移动机器人无标定视觉伺服的特 殊性，并对移动机器人进行了运动学分析以及运动误差分析。最后通过移动机器人 无标定视觉伺服仿真和实验，说明这种运动策略的有效性和跟踪的稳定性。 3 图像雅可比矩阵估计的时延补偿方法；针对网络具有时延的特点，提出一种新 的带有时延补偿的图像雅可比矩阵估计方法，用于存在时延的无标定视觉伺服系统。 上海交通大学博士学位论文 首先介绍了当前在视觉反馈闭环中从两个方面克服时延的方法，指出现有方法的不 足。接下来介绍了一种基于递推最小二乘的图像雅可比矩阵估计方法，在此基础上 具体分析这种传统估计方法的局限性，并随后提出了带有时延补偿的在线图像雅可 比矩阵估计方法；进行了收敛性分析，并得出结论，带有时延补偿的图像雅可比矩 阵估计方法的空间运动误差在所有时刻都是线性收敛的：然后通过仿真比较带有时 延补偿的方法和传统方法，并回归分析了一次线性拟合和二次线性拟合的拟合效果， 验证了所提出的方法的有效性；本章最后，以无标定的移动机器人和视觉传感器为 实验对象，通过实验表明该方法改善了系统的动态性能，减小了稳态误差，从而验 证带有时延补偿的图像雅可比矩阵估计方法的可行性和有效性。 4 图像间的稳定切换方法：针对一些无标定视觉伺服系统必须采用多摄像机的 特点，提出了基于融合方法多摄像机间的稳定切换控制方法，避免了图像雅可比矩 阵跳变的问题实现了多摄像头间的稳定切换。首先指出多摄像机无标定视觉伺服 系统中进行动态连续稳定地切换图像的是一个关键问题：为了处理这个问题，本章 提出了一种多摄像机间的稳定切换方法。为了更好地理解，我们介绍了多传感器融 合系统，分析了视觉伺服系统的融合模式，确定了无标定视觉伺服系统的融合结构； 随后提出了基于融合算法的多摄像机间切换控制方法，分析了融合权值确定方法， 并进行了收敛性分析：然后通过仿真验证了本文提出的基于融合的切换方式在切换 时刻机器人的运动更稳定，实现了多摄像机问的连续平稳切换，并通过部分融合数 据表明了切换是一个渐变过程：最后以无标定的移动机器人和两个视觉传感器为实 验对象，实验在切换过程中机器人的运动平稳，未出现抖动情况，实现了稳定的图 像间的切换。 关键词：网络机器人，网络控制，机器人自主感知模型，无标定视觉伺服，时间延 迟，多摄像机切换 塾壁竖! ：兰竺塑塑垄墨塑室堕箜笙苎 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n o l o g i e sh a sl e dt oh u g ec h a n g ei no u rl i f e s a n dt h es o c i e t ys t r u c t u r e t h ei n f o r m a t i o na n dt h em e d i aa p p l i c a t i o n ss u c h a s v i d e o o n d e m a n d 1 p t v d i s t a n c ee d u c a t i o nb e c o m em o r ea n dm o r eb a s e do ni n t e r n e t t h en e wi n t e r n e t b a s e ds t u d i e sa r eap o p u l a rt o p i ci nr e s e a r c hi n c l u d i n gn e t w o r kr o b o t d i f i e r e n tw i t hl o c a lr o b o ta n dt e l e r o b o t ，n e t w o r kr o b o ts y s t e mc a ng e tm o r e i n f o r m a t i o na n dh a sm o r eu n c e r t a i nf a c t o r s s ot h es o l u t i o no fn e t w o r kr o b o tc o n t r o li s ac h a l l e n g ep r o b l e m t h i sp a p e rh a sc o n s i d e r e dt h et w oq u e s t i o n s ：1 m i s s i o nd y n a m i c c o n f i g u r a t i o n ，2 v i s u a ls e r v o i n g f o c u s i n go nt h et w oq u e s t i o n s ，t h ep r e s e n tw o r ki s d e v o t e dt of o u ri s s u e sa sf o l l o w s ：t h ei n f o r m a t i o np e r c e p t i o na n ds e a r c hs t r a t e g yi n d y n a m i cn e t w o r kf o rr o b o t s ，u n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v oc o n t r o lb e t w e e nm o b i l er o b o t s a n dd i s t r i b u t e d i n t e l l i g e n ts e n s o r s ，e s t i m a t i o n o f i m a g e j a c o b i a nm a t r i xw i t h t i m e d e l a yc o m p e n s a t i o n ，s t a b l es w i t c hc o n t r o lf o rm u l t i p l ec a m e r a s 1 i n f o r m a t i o np e r c e p t i o na n ds e a r c hs t r a t e g yi nd y n a m i cn e t w o r k ：t h et e l e r o b o t ， t h ee a r l yn e t w o r kr o b o ta n ds o m ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tr o b o ts y s t e m sa d o p tf i x e dl i n k c o m p a r i n gw i t ht h e s es y s t e m s ，t h ed i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tr o b o ts y s t e m sw i t h o u tf i x e d l i n kh a sm u c hm o r ef l e x i b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t ya n dc a nf u l f i lm o r ek i n do fm i s s i o n s b u tt h ei n f o r m a t i o nr e s o u r c ea n dt h ec o n t r o lr e l a t i o n s h i pa r ed e t e r m i n e dh a r d l y s ot h i s p a p e ri m p l e m e n t st h er o b o ts y s t e mb a s e do nt h er o b o ta u t o n o m o u sp e r c e p t i o nm o d e l ( r a p m ) c a r lg e tt h ei n f o r m a t i o no nt h ei n t e r n e tt h r o l i 曲a u t o n o m o u sp e r c e p t i o n a g a i n s tt h ep r o b l e m m i s s i o nd y n a m i cc o n f i g u r a t i o n ”，r e p l a c et h ed y n a m i cn e t w o r k w i t hat e m p o r a r ys t a t i cn e t w o r k r a p mc a na b s t r a c tt h ee n t i t i e si ni n t e r n e t ，c l a s s i f y r e a l - t i m ei n f o r m a t i o na n dg e tt h o s eo i lt h ei n t e m e tt h r o u g ha u t o n o m o u sp e r c e p t i o nt o b u i l dp a t h s g e n e t i ca l g o r i t h m so p t i m i z ep a t h sf o rm u l t i p l er o b o t sa n da v o i dr e s o u r c e c o m p e t i t i o ni nr o b o tw o r k s p a c e t h em e t h o db r e a k st h el i m i t a t i o nt h a tr o b o t so n l yu s e t h ei n f o r m a t i o no fo w no rf i x i n gs e n s o r so nt h en e t w o r ka n df u l f i l lt h em i s s i o no u to f t h er o b o t s f i e l dr a n g e t h e e x p e r i m e n ts h o w sr a p mp o s s e s s e s g r e a t l y e x t e n d e d c a p a b i l i t ya n dp r o p e rs t r u c t u r a lf r a m e ，a n dt h eo p t i m i z i n gw a yb a s e do ng ai s e f f e c t i v e t h i sh a ss i g n i f i c a n tp u r p o s ef o ri n c r e a s i n gi n t e r n e t - b a s e dr o b o t si n t e l l i g e n c e a n db e h a v i o rc a p a c i t y 2 u n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o i n gf o rm o b i l er o b o t s ：i ns u c hd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n t r o b o ts y s t e m st h ec o n t r o lr e l a t i o n s h i pi sd y n a m i c u s u a l l yw ec a nn o tg e ta l ls y s t e m c a l i b r a t e di n f o r m a t i o ni na l m o s ts i t u a t i o na n dt h eo f f i i n ec a l i b r a t i o n p r o c e s si s c o m p l i c a t e da n de r r o r - p r o n et ob er e a l i z e d i np r a c t i c e t h u su n c a l i b r a t e dv i s u a l s e r v o i n ga n di m a g ej a c o b i a nm a t r i xm u s tb el e a r n e do re s t i m a t e da g a i n s tt h ep r o b l e m 上海交通大学博i ：学位论文 “v i s u a ls e r v o i n g i nt h i sp a p e r t h eu n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o i n gi st ou s et h e v i s u a l i n f o r m a t i o nf e df r o mt h ec a m e r a sw i t h o u ta n yk n o w l e d g eo rw i t hl i t t l ek n o w l e d g eo f t h ec a m e r a - r o b o t r e l a t i o n s h i p a n dt h ec a m e r am o d e l t h i s p a p e rs t u d i e s t h e u n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v oc o n t r o lp r o b l e mb a s e do nm o b i l er o b o t s f u r t h e r m o r ew e d e s i g nc o n t r o l l e rf o rm o b i l er o b o t sa n da n a l y z et h ec o n t r o le r r o r s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t ss h o wt h e m e t h o d p o s s e s s e sg r e a t l ya d a p t a b i l i t y a n df a u l t - t o l e r a n t c a p a b i l i t y i ta l s os i m p l i f i e sl a r g e l yt h ei m p l e m e n t a t i o no f r o b o tc o n t r o ls u b s y s t e m 3 e s t i m a t i o no fi n a a g ej a c o b i a nm a t r i xw i t ht i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o n ：t or e d u c e t h ei n f l u e n c eo ft i m e d e l a y ，an o v e lo n l i n ee s t i m a t i o no fi m a g ej a c o b i a nm a t r i xw i t h t i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o nf o ru n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o i n gi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i n s o m eu n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o s y s t e m s ，t h et i m eo fi m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g e p r o c e s s i n ga n di m a g ec o m m u n i c a t i o ni so b v i o u s l yl o n g e rt h a nt h a to ft h es y s t e m s a m p l i n gp e r i o d h o w e v e rt h et r a d i t i o n a l m e t h o d sd i d n tc o n s i d e rt h et i m e - d e l a y r e s u l t i n gi nl a r g e re s t i m a t e de r r o r i no r d e rt oc o m p e n s a t et h et i m e d e l a y ，w es u g g e s t l o c a lf i t t i n gj a c o b i a nm a t r i xw i t ht i m e - d e l a yc o m p e n s a t i o nb a s e do np o l y n o m i a lf i t t i n g ， t h em o r ec o r r e c tj a c o b i a ne s t i m a t i o na n de o n t r o ic a nb eo b t a i n e d s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sw i t h o u ta n yk n o w l e d g eo fm o b i l er o b o ta n du n c a l i b r a t e dv i s u a ls e n s o r s s h o wt h a tt h em e t h o di m p r o v e st h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c ea n dr e d u c e st h e s t e a d y s t a t ee r r o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h em e t h o d w i t ht i m e d e l a yc o m p e n s a t i o n 4 ，s t a b l es w i t c hc o n t r o lf o rm u l t i p l ec a m e r a s ：w h i l ei n t r o d u c i n gs e v e r a lc a m e r a si n av i s u a ls e r v o i n gl o o pa l l o wu st oh a v er i c h e ri n f o r m a t i o no nt h eo b s e r v e ds c e n e f u r t h e r m o r et h e r ea r es o m es i t u a t i o n st h a tm u s tu s es e v e r a lc a m e r a s t h i sp a p e rs t u d i e s s t a b l es w i t c hc o n t r o lb e t w e e nm u l t i p l ec a m e r a sf o ru n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o i n g t og e t t h ec o n t i n u o u sd y n a m i ci m a g ej a c o b i a nm a t r i xa m o n gr o b o t sa n dd i s t r i b u t e dv i s u a l s e n s o r s ，w es u g g e s ts w i t c hi m a g e sb a s e do nf u s i o n w ei n t r o d u c ef u s i o nm o d e ，a n a l y z e f u s i o n s t r u c t u r e ，d e s i g nf u s i o na l g o r i t h m t h a ti ss u i t a b l ew i t hh a v i n gd y n a m i c a l l y a d j u s t a b l ef u s i o nw e i g h t sa n da n a l y z ec o n v e r g e n c eo fi m a g ej a c o b i a ne s t i m a t i o n s i m u l a t i o n sw i t h o u ta n yk n o w l e d g eo fm o b i l er o b o t sa n du n c a l i b r a t e dv i s u a ls e n s o r s s h o wt h a tt h em e t h o dh a sm o r ea d a p t a b i l i t yc a p a b i l i t yt h a nt h et r a d i t i o n a li n s t a n t s w i t c hc o n t r o lm e t h o d i nt h i sw a yt h em e t h o dc a ne n h a n c et h es y s t e ms t a b i l i t ya tt h e s w i t c h i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：n e t w o r kr o b o t ，i n t e m e t b a s e dc o n t r o l ，r o b o ta u t o n o m o u sp e r c e p t i o n m o d e l ，u n c a l i b r a t e dv i s u a ls e r v o i n g ，t i m ed e l a y , s w i t c hi m a g e s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：高振东 日期：2 0 0 7 年3 月3 0 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：高振东指导教师签名：苏剑波 日期：2 0 0 7 年3 月3 0 日日期：2 0 0 7 年3 月3 0 日 第一章绻论 1 1 引言 第一章绪论 最近几年，i n t e r n e t 的迅速发展使社会经济结构和人们的生活方式发生了巨大 的变化，同时也给新世纪的智能机器人研究和应用带来新的方向。i n t e m e t 的资源 极为丰富。截至2 0 0 6 年初，全球共拥有1 0 亿网民，比上一年增加了5 ；同时， 当前互联网的信息空静丰富，互联网的网页已多达3 0 亿个( 由g o o g l e 搜索) ， 由于网上的资源激增，由i p v 6 代替i p v 4 已提上同程。种种迹象表明，互联网的 飞速发展正影响并改善着我们的生活，同时也为科学带来了新的研究课题。 到目前为止，互联网传输的信息只是人类视觉和听觉可以感知的文字、图像、 声音等信息，如果把人类的动作行为转化为数字信号进行传输，互联网将成为人 类动作行为的载体，从而可实现人类操作功能的延伸 s h e r i d a n1 9 9 3 1 。因而，与 i n t e m e t 相关的研究得到了空前的发展分布式或网络环境下的复杂系统的控制问 题已经成为控制理论研究的重要方向之一。近年来，众多学者尝试着将机器人与 i n t e m e t 相连，推动了机器人领域与信息领域的融合，从而产生了一个新的研究领 域网络机器人( n e t w o r k e dr o b o t ) 。 1 2 研究现状 1 2 1 早期发展情况遥操作机器入 网络机器人( n e t w o r k e dr o b o t ) 是从遥操作机器人( t e l e o p e r a t i o nr o b o t ) 基础 上发展起来的。遥操作机器人系统，也称为临场感遥控作业系统，由操作者、主 机器人、通信环节、从机器人和工作环境组成 a n d e r s o n1 9 8 9 ，是8 0 年代提出的 一种基于人机交互技术的机器人作业系统。其基本特点是：由机器人所携带的传 感器对环境的感知信息构建成作业现场的反馈信息，使操作人员能够在这些感知 信息的反馈下。身临其境地异地操作在作业环境中的机器入系统完成作业任务。 因此，在复杂或非确定环境下，机器人的动作规划和决策可以在人的监控下完成， 使机器人在人所无法到达的环境下准确有效地作业。这对于机器人学研究水平的 提高，扩大机器人的应用领域具有深远意义。而且，遥操作需要多学科知识的结 海交通人学博l 学位论j 合。仍是现今机器人领域主要研究方向之一 n i e m e y e r1 9 9 1 】。 为了实现控制闭环，在遥操作过程中需要反馈现场传感信息，这些传感信息 包括视觉、力、距离，角度、加速度等等。其中视觉信息最为重要，研究和发展 也最早 z h a i l g1 9 9 5 。获得这些信息后，可以采用多种提高遥操作机器人系统能力 和效率的方法，诸如：临场感技术( t e l e ，p r e s e n c e ) 【h u1 9 9 9 】、虚拟现实技术( v i r t u a l r e a l i t y ) 。虚拟现实技术又称灵境技术，它的出现和发展为提高遥操作的效率和可 靠性、减轻操作者负担提供了有效的途径 s u l z m a r m1 9 9 5 ，t h e o d o r e1 9 9 6 ，j i a n g 1 9 9 7 ，g - r i g o r e1 9 9 9 。z h a o1 9 9 9 。虚拟现实技术可以使人在与计算机系统所生成的 虚拟环境进行相互作用的过程中产生“身临其境”的沉浸感，为用户提供一种舒适 快捷的入机交互遥操作作业环境。 根据控制系统性能和技术的先进性，遥操作机器人发展可以分为如下三个阶 段： ( 1 ) 手动闭环控制( m a n u a l l yc l o s e d 1 0 0 pc o n t r 0 1 ) ：这是研究最早的一种遥 操作形式，其中操作者是手动闭环控制的核心部分。这早期的遥操作技术主要 应用于危险环境下进行设备操作，如核工业设备，水下遥控操作设备和空自j 设备。 但通讯的明显滞后、不稳定性和手动控制是其主要缺点 ( 2 ) 共享或监管控制( s h a r e do rs u p e r v i s o r yc o n t r 0 1 ) ：这种控制机制的目的 是使机器人或设备的控制可由本地控制回路和远程遥控操作者共享。本地控制回 路负责其基本功能的实现。远程遥控操作者主要负责系统的监控及对异常情况的 处理。这一技术提高了操作者对设备的可操作性，避免了系统不稳定性问题 【t h e o d o r e1 9 9 6 。但昂贵的、为单目的建设的操作站是其致命的缺点。通讯的 专用性也限制了普通网络用户的访问，使得这一技术只能应用于固定的专业领域 中。 ( 3 ) 基于万维网的遥操作( w o r l d w i d e w e b t e l e o p e r a t i o n ) ：遥操作技术从 设备及控制技术来讲，专用性很强且价格较为昂贵，受到各种条件的制约很多， 从而导致不能实现任何人在任何地点对系统进行遥操作。如果能够利用现有的、 通用的通讯技术和设备解决上述问题，无疑将大大提高遥操作机器人的便利性， 并迅速降低成本，对公众也具有极大的开放性 z h a o2 0 0 1 1 。将万维网作为数据通 道代替专用网是数据传输途径质的改变。万维网遥操作机器人的本质就是通过基 于i n t e m e t 的w e b 浏览器来控制远程机器人和设备。这一技术的提出开创了一个 崭新的研究领域，由于万维网的网络结构与以往遥操作所采用的专用通道有本质 的不同在带来诸多好处，如廉价的通讯方式，通用的网络，但同时引起了许多 新问题，诸如：网络时延、信息安全等，这些好处与问题是采用了i n t e r n e t 所特有 的，因而逐渐形成了一个独立的研究领域。 2 第一章绪论 1 2 2 典型的网络机器人系统 由于i n t e m e t 自身的特点，网络机器人逐渐脱离了遥操作机器人形成了独立的 研究方向。网络机器人的思想是由g o l d b e r g 于1 9 9 4 年首先提出的，其最初的构 想是给公众提供可通过i n t e m e t 访问的遥控机器人，并支持用户对其实施远程操作 【g o l d b e r g1 9 9 5 ，g o l d b e r g2 0 0 0 】。这一构想极大地扩展了5 0 年前提出的遥操作概 念，使得全球的网络用户都可通过i n t e m e t 访问并远程控制执行机构。g o l d b e r g 很快就将这一构想应用到水星计划( m e r c u r y p r o j e c t ) 中，如图1 1 所示。m e r c u r y p r o j e c t 是第一个基于i n t e r n e t 的机器人项目，这个项目利用安装了c c d 摄像头和 气囊系统的工业机械手在装有沙子的半圆形工作空间中寻找物体。在1 9 9 4 年8 月 到1 9 9 5 年3 月间，有5 万多台独立主机访问过m e r c u r y p r o j e c t 在南加州大学的遥 操作控制主页( h t t p ：w w w u s c e d u d e p t r a i d e r s ) 。1 9 9 5 年，m e r c u r yp r o j e c t 被 t e l e g a r d e np r o j e c t 取代，新计划中仍采用装有c c d 摄像头的机械手复合其它机构 通过i n t e m e t 提供给网络用户进行远程操作。 图1 1 水星计划( g o l d b e r g ) f i g 1 1m e r c u r yp r o j e c t ( g o l d b e r g ) 同期，向网络用户开放的遥操作机器人还有西澳大利亚大学k e nt a y l o r 研发 的安装有固定摄像头并具有六自e h 度的机械手臂，它支持网络用户在工作空间中 实施用积木建造复杂建筑的操作 t a y l o r1 9 9 9 ，如图1 2 所示。继k e ng o l d b e r g 和 k e nt a y l o r 的开创性工作之后，越来越多的学者投入到基于网络的机器人技术的 研发工作中来。 1 9 9 5 年，g e o r g eb e k e y 和s t e v eg o l d b e r g 使用六自由度机器人、回转平台与 立体摄像机开发了“饮水的主妇”，世界各地的学者可以通过浏览器观察与欣赏博 物馆中的艺术珍品。1 9 9 8 年6 月，p u m a p a i n t 被联接到i n t e r a c t 上，任何使用者都 可以通过网络控制一台p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画 s t e i n1 9 9 9 ，s t e i n2 0 0 0 1 。华 上海交通大学博士学位论文 盛顿大学的t a m 等用游戏手柄通过i n t e r n e t 控制1 0 0 0 k m 以外的p u m a 7 6 0 机器人 进行移动与障碍回避【b r a d y1 9 9 8 。p a u l g 、b a c k e s 等建造的w i t s 系统，分布在 美国各地的专家们可以使用该系统进行任务规划与控制，同时公众可以使用该系 统进行虚拟操作 b a c k e s2 0 0 0 。 图1 2 网络机器人( k e nt a y l o r ) f i g 1 2n e t w o r k e dr o b o t ( k e nt a y l o r ) 这段时期，众多学者的研究对象集中在机械臂，其优点有：第一，机械臂自 身结构和工作环境结构化程度高，易于标定与建模；第二，机械臂控制精度高， 模型准确，易于控制；第三，机械臂在工业中应用广泛，有很好的研究环境。但 同时存在一些缺点：第一，没有移动能力且运动范围小，能够完成的任务类型十 分有限：第二，不适合非结构化环境，不能代替人类完成绝大多数特定任务；第 三，没有友好的外形特征，不适合公共场所的服务和家庭的使用。 图1 3m i n e r v a 博物馆机器人 f i g 1 3i n t e r a c t i v em u s e l l mt o u r - g u i d er o b o t m i n e r v a 随着研究的深入，涉及到了更广泛的非结构化环境、更多类型的任务，这时 机械臂已经不能满足研究的需要，所以后期的系统更多地采用了移动机器人作为 研究对象。虽然移动机器人的控制精度较差。不易定位。但其移动性是机械臂无 法比拟的，因此可以更好地体现机器人为人类服务，象人类一样工作的思想，其 4 第一章绪论 可完成的任务也极其广泛，例如巡查、护理、运送、导游或者是到达危险区域完 成各种任务。 成功的范例包括德意志博物馆和美国历史国家博物馆的导游机器人。 m i n e r v a ，代替遥远的参观者( 即操作者) 在博物馆中漫游，并能与现场的参观者 “友好相处”，如图1 3 所示 b u r g a r d1 9 9 8 】。 c a r n e g i em e l l o n 大学研发了基于w 曲的办公室自主移动机器人x a v i e r s i m m o n s1 9 9 9 1 ，如图1 4 所示2 0 0 0 年加拿大开发了基于i n t e r n e t 的家庭护理移 动机器人系统a f t e ri 。操作者( 如家庭成员或康复中心人员) 可通过w e b 浏览器 对a f t e ri 进行远程操作，为家中病人提供护理服务。 图1 4x a v i e r ：基于网络的自主移动机器人 f i g 1 4x a v i e r ：a l la u t o n o m o u sm o b i l er o b o t 0 1 1t h ei n t e r n e t 国外在这方面的研究及推广已经证明了此项技术的可行性 p a m a s1 9 9 7 1 。这 些研究的应用包括访问参观实验室、博物馆等公众场所，服务于家庭、办公室、 医院、旅馆，抢险救灾，探险等等。 这类典型的网络机器人系统不论研究对象是机械臂还是移动机器人，大多以 机器人为中心，配置或携带特定的传感器配合机器人完成特定任务。这类系统中 机器人和操作者几乎都是根据任务建立一对一的关系，任务完成后其关系也随之 结束。因此也带来了很大的局限性，其所完成的任务有限，不能按照客户需求改 变或增加；由于自身传感器和处理能力的限制，不能高效地完成任务。 1 2 3 基于网络的分布式智能机器人系统 由于单个机器人的能力限制，很难高效地完成复杂任务，而网络的无限资源 恰恰可以解决这个问题，研究人员将各类传感器引入机器人网络，作为与机器人 相同的网络单元，构建了基于网络的分布式智能机器人系统。 基于网络的分布式智能机器人系统使得低价、灵活、可扩展的真正分布式系 上海交通大学博士学位论文 统得以在机器人领域实现。任何连接到因特网上的机器人、代理设备、现场设备 相互间均可进行通讯和交互操作以共同完成远程任务。在美国航空航天管理局的 寻路者计划( p a t h f i n d e rm i s s i o n ) 中就采用了这一技术。这使得科学家们不必集 中到加利福尼亚的控制中心也可在世界各地通过因特网交互系统来相互合作实施 对寻路者计划中空间设备的控制。这一应用是通过因特网实施分布式控制系统的 成功实例。 图1 5 基于网络的分布式智能机器人系统i f i g 1 ，5d i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tr o b o t i cs y s t e mb a s e do ni n t e r a c ti a l e x e i 构建了一个分布式智能机器入系统 a l e x e i2 0 0 3 ，将其视为一个动态的 传感器网络，实现了多个移动机器人，激光传感器( s i c k ) ，人，独立工作站的协 调工作。如图1 5 所示。这个系统中各个个体之间是松耦合关系，信息共享，关 同完成特定任务。 l e e 等1 9 9 6 年提出智能空间的概念，建立了一个为人和机器人导航的平台， 如图1 6 所示。系统采用服务器一客户机方式，系统中分布式智能网络设备( d i n d ) 可以检测到人或移动机器人的特征并确定其位置，处理后转换为坐标信息，反馈 给人或机器人，从而实现导航【l e e 2 0 0 1 ，l e e 2 0 0 3 ，l e e 2 0 0 4 ，m o r i o k a2 0 0 4 】。实验 系统中配备了数个d i n d ，提供不同的环境信息，人或机器人可以根据自身的需 要从d i n d 获取相应信息，进行控制，可以实现个体不能完成的复杂任务。 基于网络的分布式智能机器人系统通过多个具有初级能力的智能网络单元协 作，可以完成复杂任务。网络提供了一个信息交互的平台，机器人的能力在于能 够获得的信息的多少和利用信息的能力，而不是自身直接感知环境信息的多寡。 因此基于网络的分布式智能机器人系统研究的重点在于信息提供、信息获取、信 息评估、信息利用以及协作的能力，而并不强调个体的作用。 6 第一章绪论 图1 6 基于网络的分布式智能机器人系统i i f i g 1 6d i s t r i b u t e di m e l l i g e n tr o b o t i cs y s t e mb a s e d o ni n t e m e ti i 1 2 4 国内的相关研究 网络机器人广泛的应用前景也引起了国内同行的高度重视，但国内在这一领 域的研究和开发尚处于起步阶段。 陆璐等设计并实现了一个运用w e b 技术进行远程监控机器入的系统【l u 2 0 0 1 】。王政等人构筑了一个基于i n t e m e t 技术的遥操作机器人系统的初级框架， 并对系统所具有的功能进行了描述，指出了实现过程中遇到的问题及可能的解决 方案 w a n g2 0 0 0 。汤宇松等提出了一个基于i n t e r n e t 技术的网络机器人系统的框 架 t a n g2 0 0 0 。庄骏等