（机械设计及理论专业论文）基于互联网的移动机器人网络控制系统研究.pdf

中文摘要 机器人遥操作在空间探索、 深海勘探及危险环境作业等领域具有无可替 代的作用。 互联网的飞速发展和普及以及传输速度的不断提高为机器人遥操 作提供了廉价而便捷的通讯手段。 利用互联网实现机器人的远程控制进一步 拓展了其应用范围， 在远程医疗、 设备共享和远程教学等方面显示了其优越 性。本文对基于互联网的移动机器人控制问题进行了较系统的研究。 适应互联网的特点， 建立了基于浏览器的多层分布式移动机器人远程控 制系统实验平台。 网络传输时延是影响远程控制稳定性的 一 个主要因素。 如何减小时延对 控制稳定性的影响是一个关键问题。 本文在对现有的互联网的传输时延进行 测试和分析的基础上， 对时延的变化规律进行了总结和分类， 并提出了针对 不确定时延状况采取相应控制策略和时延补偿的方案。 根据网络用户的时延 状况为用户提供一种与之相适应的控制方式，以减小时延对系统的影响。 精确的时延补偿模型能够提高具有时延的控制系统动态响应能力， 进一 步保证系统的稳定性。 本文从理论上分析了时延对网络控制系统稳定性的影 响， 随着时延的增加， 系统的稳定性迅速降低。基于史密斯预估方法设计了 时延补偿系统，并采用在线参数调整来保证补偿的精度。 在基于互联网的机器人控制系统中， 网络服务器是用户与机器人进行交 互的重要中间环节。 本文在网络服务器的设计中引入了智能代理技术， 建立 了以网络智能代理为核心的网络服务器。以实现对用户、机器人、信息安全 等的智能化管理，提高了网络系统的效率和可靠性。 为满足基于互联网的多层分布式控制系统特点， 使系统易于维护、 功能 易于拓展，本文采用基于j a v a的j 2 e e 组件技术的最新网络应用解决方案， 对控制系统的网络应用进行了开发， 并实现了与机器人本地控制系统的无缝 对接。该网络控制系统还具有平台无关性特点。 最后本文通过实验对系统的性能进行了测试， 测试结果表明系统运行稳 定，验证了系统的可行性和正确性。 关键词:互联网移动机器人远程控制时延智能代理.t 2 e e a b s t r a c t t e l e r o b o t i c s i s a v a l i d m e t h o d i n s p a c e e x p l o r i n g , d e e p s e a p r o s p e c t i n g , d a n g e r o u s c o n d i t i o n w o r k i n g a n d o t h e r s . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f i n t e r n e t t e c h n i q u e a n d i n c r e a s e o f t r a n s m i s s i o n s p e e d t h r o u g h we b , t h e i n e x p e n s i v e c o n v e n i e n c e c o m m u n i c a t i o n a p p r o a c h i s p r o v i d e d f o r t h e t e l e r o b o t i c s s y s t e m s . a p p l i c a t i o n s o f t e l e r o b o t i c s a r e b e i n g w i d e r o v e r i n t e r n e t . a d v a n t a g e s a r e s h o w n i n s o m e f i e l d s s u c h a s r e m o t e m e d i c a l t r e a t m e n t , d e v i c e s s h a r e a n d l o n g d i s t a n c e e d u c a t i o n . i n t h i s p a p e r , a c o n t r o l s y s t e m o f m o b i l e r o b o t v i a i n t e r n e t i s s t u d i e d . a c c o r d i n g t o t h e p r o p e r t i e s o f i n t e r n e t , a b r o w s e r b a s e d m u l t i - l a y e r e d d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m o f m o b i l e r o b o t i s b u i l t f o r e x p e r i m e n t . t r a n s m i s s i o n d e l a y i n f l u e n c e s t h e s t a b i l i t y o f i n t e r n e t b a s e d c o n t r o l s y s t e m s h o w t o r e d u c e t h e a f f e c t s o f t h e d e l a y i s i m p o r t a n t t o t h e s y s t e m s . . b a s e d o n t h e t e s t a n d a n a l y s i s o f t i m e - d e l a y , t h e c h a n g e r u l e s a n d c l a s s i fi c a t i o n s o n t h e t i m e - d e l a y a r e d e v e l o p e d . t h e u n c e r t a i n t y o f t i m e - d e l a y o v e r i n t e r n e t i s s t u d i e d . f i n a l l y , t h e c o n t r o l s t r a t e g y a n d c o m p e n s a t i o n s c h e m e a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t d e l a y s a r e p r o p o s e d . a s u i t a b l e c o n t r o l m o d e i s g i v e n t o u s e r b a s e d o n d e l a y t h e h i g h p r e c i s i o n o f t i m e - d e l a y c o m p e n s a t e d c a n p r o m o t e a b i l i t y o f c o n t r o l s y s t e m d y n a m i c r e s p o n s e a n d g u a r a n t e e s t a b i l i t y o f s y s t e m . t h e r e s u l t s o f t h e o r e t i c a n a l y s i s s h o w t h a t t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m d e g r a d e s s h a r p l y w i t h i n c r e a c e o f t i m e - d e l a y . t h e s c h e m e o f t i m e - d e l a y c o m p e n s a t i o n b a s e d o n s m i t h p r e d i c t o r p r i n c i p l e i s p r o p o s e d . a m e t h o d o f p a r a m e t e r r e g u l a t i o n o n l i n e i s u s e d t o p r o m o t e t h e p r e c i s i o n o f t i m e - d e l a y c o m p e n s a t i o n . w e b s e v e r p l a y s a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e r e m o t e c o n t r o l s y s t e m f o r i n t e r a c t i n g b e t w e e n r e m o t e u s e r a n d m o b i l e r o b o t . i n t h i s p a p e r , i n t e l l i g e n t a g e n t t e c h n i q u e i s i n t r o d u c e d t o d e s i g n w e b s e r v e r . l o g i c s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n o f i n t e l l i g e n t a g e n t a r e d e s i g n e d t o m a n a g e u s e r s , r o b o t , a n d i n f o r m a t i o n , e t c . t o m e e t m u l t i - l a y e r e d d i s t r i b u t e d s y s t e m b a s e d o n i n t e r n e t , we b c o n t r o l s y s t e m i s i m p l e m e n t e d u s i n g j 2 e e c o m p o n e n t s b a s e d o n j a v a , a n d j o i n s w i t h r o b o t s y s t e m s e a m l e s s l y . t h e s y s t e m i s e a s y t o m a i n t a i n a n d e x t e n d , a n d a l s o i s i n d e p e n d e n t o f o p e r a t i n g s y s t e m . a t l a s t , t h e c o n t r o l s y s t e m i s t e s t e d , t h e r e s u l t s s h o w t h e s y s t e m c a p a c i t y i s s t a b l e , a n d v a l i d a t e s t h e f e a s i b i l i t y a n d c o r r e c t n e s s o f t h e s y s t e m . k e y wo r d s : i n t e rne t , t i me - d e l m o b i l e r o b o t , t e l e o p e r a t i o n ( r e mo t e c o n t r o l ) , a y , i n t e l l i g e n t a g e n t , j 2 e e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了 文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果， 也 不 包 含 为 获 得 一 玉 建人全- 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 a 碑签 字 日 期 : y b 0 7 年 了 月 f1 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解一 k 建大崖 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 一 孟建大崖 生 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 含 失 房 毅 导师签名: ， 了 一 会 一、 、 夭 尹 勺尹 少 气.气， / 乙 / ; d i 甲 / 、 : j 签 字 日 期 : 卿o 释 6月 么 阳 签 字 : 期 :2 o 4 年白 q20 日 天津大学博十学位论文 第一章绪论 1 1引言 机器人远程控制( 遥操作) 的研究开始于2 0 世纪6 0 年代“1 ，随着在空间、 海洋以及危险作业领域的探索和开发，国外一些学者开始致力于机器人远程 控制的研究。远程控制的机器人操作臂和移动机器人系统能够在危险环境下 工作，如处理核电站里的放射性物质及核电站的维护；在人力不可及的范i 匍 完成特定的任务，如在海洋里勘探矿物、能源，在太空的星际探索等等。美 国太空总署( n a s a ) 的火星探险计划是最著名的星际探索项目”1 ，前后共花了 1 6 年的时间规划，共有6 0 0 名精英航天科学家投入。n a s a 火星探险计划于去年 分别派出的“勇气号”( s p i r i t ) 和“机遇号”( o p p o r t u n i t y ) 机器人在美国 西部时间2 0 0 4 年1 月3 日和2 4 日先后登陆火星，分别在火星表面不同区域进行 探索，并发回了大量的珍贵照片( 图卜1 图卜2 ) 。 图l 一】“勇气号”火星探测器( 左) 和离开登陆舱的照片( 右) 图卜2 “机遇号”火星探测器拍摄的火星表面照片 第一章绪论 在这些环境中，机器人操作臂完成的一系列作业和移动机器人的导航是 通过地面控制端的远程控制实现的。在地面对空间机器人”1 或海底机器 人”“”进行的远程控制是通过无线电波的通讯方式实现的。在危险环境工 作的机器人卜“”的远程控制是基于专门通信线路的。基于无线电通讯的机 器人远程控制，存在着明显的时延通常在2 秒至3 秒有的甚至达到6 秒，这种 时延的存在不仅会降低操作性能，同时也会产生数据丢失等问题。 近十几年互联网( i n t e y n e t 、w w w ) 的兴起和普及，互联网已经成为新 的信息媒体。互联网起源于二十世纪七十年代初期美国政府资助的a r p a n e t 项目“。1 9 9 2 年开始，由于互联网技术的突破性进步，互联网在全球迅速 普及，新的应用也不断产生。从最初互联网只用于传输文件、收发电子邮件 到信息搜寻、软件下载、娱乐以及电子商务。传输内容也从最初的单一文本 方式发展为文本、图像、声音以及多媒体方式。互联网发展和普及提升了人 们的生活质量和工作效率，改变了人们的生活、工作和思维方式，并且从最 初的辅助性工具开始逐渐成为很多人日常生活、工作和学习的重要组成部 分。 互联网不仅给人4 1 提供了一种全新的通讯方式，可同时传输文本、图像 和声音，同时它也是一个大的资源库和资源交互的便捷手段，具有很多有待 丌发的应用潜力。机器入专家注意到如果把机器人同i n t e r n e t 连接起柬， 利用i n t e r n e t 的丰富资源和便利廉价的通信途径，将会引起机器人技术的 革命。近几年互联网技术的飞速发展以及网络规模的迅速扩大，截至2 0 0 3 年1 1 月底，互联网已经延伸到2 4 0 多个国家和地区，拥有近7 亿用户。在 国内，已经形成了一个技术先进、覆盖全国、可承载各种业务应用的现代高 速互联网络。首先，高度普及的网络系统为实现机器人的远程控制提供了物 质基础。高速宽带网为机器人远程控制实时性提供了保证，遍布的网络系统 使远程控制不再受地域的限制，低廉的通讯费用与设备投入费用大大降低了 架设专用通讯线路的成本。其次，互联网能够满足机器人控制系统的开放性 要求，机器人可以实时地利用网络中的庞大资源提高机器人知识库的能力， 还可以利用其遍布的网络实现异地机器人协作以及异地机器人的联合开发 研究“。另外，网络传输和空间、海洋机器人无线遥控的信息传输，同样具 有大的时延问题。开展低成本的网络远程控制系统变化时延的研究可以对空 间、海洋机器人控制系统时延的问题解决提供有效方法。同时，通过互联网 天津大学博士学位论文 对空间、海洋机器人进行远程控制能更好地开展对空间和海洋的探索和合作 研究。这些特点是近几年网络机器人得到学者广泛关注和研究的原因。 网络的传输时延是从发送方( 源端) 的物理设备开始发送数据至接收方 ( 目的端) 的物理设备全部接收到数据所需要的时间。主要可以分为两类：单 程时延和往返时延。通过互联网的远程控制系统中的时延特点与其它传统远 程控制系统的不同。传统的远程控制系统基于专有通讯线路或无线电波的通 讯，其通讯时延和数据丢失率是相对固定的。相对地，互联网是公共的共享 资源，不同的用户可以通过复杂的网络同时传递数据在网络中的某两端之间 传递数据的路径是不固定的。当两个或更多的用户通过同一线路同时传递数 据时，易造成线路阻塞，其通讯效率很难模型化。因此，基于互联网机器人的 远程控制需要解决问题主要有，一方面是由于网络带宽和路由状况带来的不 确定的传输时延以及数据丢失；另一方面是整个控制系统的稳定性和可靠 性。再一方面，由于控制系统连接再互联网上，还要考虑网络系统的安全性 和可靠性，如防止黑客攻击和病毒侵害等。 1 2互联网上的机器人 机器人作为集成了机械、电子、通讯、信息、控制、传感技术和人工 智能等多学科技术的高科技产品，由于其特殊应用范围和制造成本高，只有 少数研究人员和技术人员才可以接触到，而大多数人无法在只常生活中见 到。互联网的迅速发展和普及不仅改变了人们的生活和工作方式，缩短了世 界各地人们间的距离，把人类向信息时代推进了一大步，而且增强了人们获 取信息的数量。同时，把互联网同机器人技术相结合还为机器人技术的发展 和应用创造了新的条件，也为人们认识和了解机器人提供了便捷的渠道。互 联网上和曾经出现在互联网上的机器人主要有两种类型，一种类型为机器人 操作臂，另一种是移动机器人。 1 2 1 机器人操作臂 基于互联网的机器人远程控制系统的研究是从对机器人操作臂的远程 控制开始的。最早出现在互联网上的机器人操作臂远程控制系统是英国布拉 德福大学开发的机器人天文望远镜，于1 9 9 3 年1 1 月连接到互联网上。该天 天津大学博士学位论文 对空间、 海洋机器人进行远程控制能更好地开展对空间和海洋的探索和合作 研究。这些特点是近几年网络机器人得到学者广泛关注和研究的原因。 网络的传输时延是从发送方( 源端) 的物理设备开始发送数据至接收方 ( 目的端) 的物理设备全部接收到数据所需要的时间。 主要可以分为两类: 单 程时延和往返时延。 通过互联网的远程控制系统中的时延特点与其它传统远 程控制系统的不同。 传统的远程控制系统基于专有通讯线路或无线电波的通 讯， 其通讯时延和数据丢失率是相对固定的。 相对地， 互联网是公共的共享 资源， 不同的用户可以通过复杂的网络同时传递数据在网络中的某两端之间 传递数据的路径是不固定的。 当两个或更多的用户通过同一线路同时传递数 据时， 易造成线路阻塞， 其通讯效率很难模型化。 因此， 基于互联网机器人的 远程控制需要解决问题主要有， 一方面是由于网络带宽和路由状况带来的不 确定的传输时延以及数据丢失;另一方面是整个控制系统的稳定性和可靠 ,胜。 再一方面， 由于控制系统连接再互联网上， 还要考虑网络系统的安全性 和可靠性，如防止黑客攻击和病毒侵害等。 1 . 2互联网上的机器人 机器人作为集成了机械、电子、通讯、信息、控制、传感技术和人工 智能等多学科技术的高科技产品， 由于其特殊应用范围和制造成本高， 只有 少数研究人员和技术人员才可以接触到， 而大多数人无法在日常生活中见 到。 互联网的迅速发展和普及不仅改变了人们的生活和工作方式， 缩短了世 界各地人们间的距离， 把人类向信息时代推进了一大步， 而且增强了人们获 取信息的数量。同时， 把互联网同机器人技术相结合还为机器人技术的发展 和应用创造了新的条件， 也为人们认识和了解机器人提供了便捷的渠道。互 联网上和曾经出现在互联网上的机器人主要有两种类型， 一种类型为机器人 操作臂， 另一种是移动机器人。 1 . 2 . 1 机器人操作臂 基于互联网的机器人远程控制系统的研究是从对机器人操作臂的远程 控制开始的。 最早出现在互联网上的机器人操作臂远程控制系统是英国布拉 德福大学开发的机器人天文望远镜， 于 1 9 9 3 年 1 1 月连接到互联网上。该天 天津大学博士学位论文 对空间、海洋机器人进行远程控制能更好地开展对空间和海洋的探索和合作 研究。这些特点是近几年网络机器人得到学者广泛关注和研究的原因。 网络的传输时延是从发送方( 源端) 的物理设备开始发送数据至接收方 ( 目的端) 的物理设备全部接收到数据所需要的时间。主要可以分为两类：单 程时延和往返时延。通过互联网的远程控制系统中的时延特点与其它传统远 程控制系统的不同。传统的远程控制系统基于专有通讯线路或无线电波的通 讯，其通讯时延和数据丢失率是相对固定的。相对地，互联网是公共的共享 资源，不同的用户可以通过复杂的网络同时传递数据在网络中的某两端之间 传递数据的路径是不固定的。当两个或更多的用户通过同一线路同时传递数 据时，易造成线路阻塞，其通讯效率很难模型化。因此，基于互联网机器人的 远程控制需要解决问题主要有，一方面是由于网络带宽和路由状况带来的不 确定的传输时延以及数据丢失；另一方面是整个控制系统的稳定性和可靠 性。再一方面，由于控制系统连接再互联网上，还要考虑网络系统的安全性 和可靠性，如防止黑客攻击和病毒侵害等。 1 2互联网上的机器人 机器人作为集成了机械、电子、通讯、信息、控制、传感技术和人工 智能等多学科技术的高科技产品，由于其特殊应用范围和制造成本高，只有 少数研究人员和技术人员才可以接触到，而大多数人无法在只常生活中见 到。互联网的迅速发展和普及不仅改变了人们的生活和工作方式，缩短了世 界各地人们间的距离，把人类向信息时代推进了一大步，而且增强了人们获 取信息的数量。同时，把互联网同机器人技术相结合还为机器人技术的发展 和应用创造了新的条件，也为人们认识和了解机器人提供了便捷的渠道。互 联网上和曾经出现在互联网上的机器人主要有两种类型，一种类型为机器人 操作臂，另一种是移动机器人。 1 2 1 机器人操作臂 基于互联网的机器人远程控制系统的研究是从对机器人操作臂的远程 控制开始的。最早出现在互联网上的机器人操作臂远程控制系统是英国布拉 德福大学开发的机器人天文望远镜，于1 9 9 3 年1 1 月连接到互联网上。该天 第一章绪论 文望远镜在i n t e r n e t 上对天文爱好者开放，爱好者可以通过w e b 浏览器访 问其主页，控制望远镜变换角度和焦距，并把观测结果通过电子邮件发送给 使用者。1 9 9 4 年美国加州大学完成了m e r c u r y 项目“7 儿”3 ，该项目把一台a b b 图l 一3m e r c u r y 项目机器人操作界面 工业机器人连接到互联网上，操作者可以通过登录到其网站通过控制界面使 用鼠标和键盘控制机器人进行物品挖掘工作，校园内用户操作机器人完成一 个动作的响应时间为l o 秒，而欧洲用 户需要的时间则达到6 0 秒。此后加州 大学又开发一台名为t e l e g a r d e n 的网 络机器人，网络访问者可以控制机器人 进行种植、灌溉花园等活动。1 9 9 4 年9 月西澳大利亚大学把一台a b b 工业机 器人连接到i n t e r n e t 上( 图卜4 ) ，经 多次改进该系统允许操作者通过其客 户端控制机器人对工作台上的物体进行图l 一4 机器人正在抓取物体 抓取和搬运。 这些机器人的遥操作是以固定的机器人操作臂的控制为对象的，机器 人工作在完全结构化环境中。 1 2 2 移动机器人 移动机器人具有不同于机器人操作臂的特点，移动机器人可以在一定的 环境范围内移动，在系统中需要加入无线通讯环节，并且移动机器人的控制 还涉及到导航和避障问题。近几年研究人员把注意力集中在移动机器人的网 天津大学博士学位论文 络控制上。利用互联网对复杂环境中的移动机器人进行控制。最著名在互联 网上出现较早的移动机器人远程控制系统是s a u c y 等m m 。1 的k h e p o n t h e w e b 遥 操作机器人项目的移动机器人。其项目的长期目标是在教育和科研中共享昂 图l 一5k h e p e r a 秽l 器人( 左) 和迷宫( 右) 贵和唯一的设备。该项目使用的机器人名为k h e p e r a 是一个直径只有5 j 毫米的 小型机器人，机器人不具有智能。用户可以通过互联网控制这台移动机器人 在迷宫中运彳亍( 图卜5 ) 。x a v je r “是一直径2 4 英寸的圆柱状机器人，于19 9 5 年末在互联网上对用户丌放，该机器人上装有摄像机用于观察环境信息，还 装有超声波传感器和激光传感器；x a v i e r 具有一定的自主导航和避障能力， 操作者可以控制机器人在运行于各实验室之间。m a x ”2 1 是由n c a r t 科研小组 开发的基于互联网的遥控机器人，该项 目最初是作为大学生的毕业设计的题 目；其用户端控制程序利用j a v a d , 程序 开发，需要下载到用户浏览器上运行。 由波恩大学的b u r g a r d 等开发的博物馆 导游机器人r h f n o ”“”是比较成功的移 动机器人网络遥操作实例( 图卜6 ) ，该 机器人运行于参观者众多的博物馆中， 具有自主避障能力，互联网用户可以通图卜6 导游机器人r h i n o 过控制机器人参观博物馆。 以上远程控制的移动机器人也是在结构化或受限环境中进行的，机器 人缺乏甚至没有自主能力，无法在现实复杂环境中应用。这些基于网络的机 器人为进一步的研究工作奠定了基础和提供了宝贵的经验，但这些控制系统 第一章绪论 仍处于试验和探索阶段。 在国内，基于互联网的机器人远程控制系统还处于探索和研究阶段，所 开发的系统仍然处于试验阶段，还没面向普通网络用户开放的网络遥操作系 统出现在互联网上。 1 3国内外相关研究 1 3 1国外研究现状 伴随着网络技术的突破性进步和互联网的应用，国外研究人员于2 0 世 纪9 0 年代开始了基于互联网的机器人远程控制的研究。研究工作主要集中 在减少网络通讯时延影响提供控制系统的稳定性。对遥操作机器人系统的通 讯时延问题提出了很多解决方案，在某种条件下能够解决网络时延对控制系 统的稳定性造成的影响。 综合目前的研究成果，实现基于互联网的机器人控制所采取的控制方案 主要包括：直接控制方式、预测显示方式、监督控制方式、基于事件的控制、 遥编程方式和波变换方式等。 - 13 1 1 直接控制方式 直接控制方式是一种最基本的控制方式，通过向机器人发送基本控制 指令和基本参数直接控制机器人。这种控制方式网络性能的要求比较高，要 求网络传输时延小、波动不大。这种控制方式的优点在于操作者能够看到自 己操作的直接结果，而没有外部因素的影响，充分发挥人的感知、判断和决 策能力，增强系统的适应。其缺点是操作人员视觉等大量即时信息，在网络 存在明显的通讯时延情况下，直接控制将难以实现。 k h e p o n t h e w e b 遥操作机器人“”“就是采用直接控制方式来实现网络远 程控制的。该机器人完全不具有智能如自主避障等，整个系统装有两台摄像 机，一台装在机器人上用于观察前方的环境，另一台装在天花板上用于监视 整个迷宫的环境。在机器人的控制中是通过两个摄像机连续反馈给用户的图 像信息为依据来判断机器人的位置。控制指令有三种，一种是控制机器人运 动的指令，通过点击控制页面上的位置图坐标来发送控制指令引导机器人移 动目标点：第二种指令是应用控制外部摄像机的方向和焦距的；另一种指令 第一章绪论 仍处于试验和探索阶段。 在国内， 基于互联网的机器人远程控制系统还处于探索和研究阶段， 所 开发的系统仍然处于试验阶段， 还没面向普通网络用户开放的网络遥操作系 统出现在互联网上。 1 . 3 1 . 3 . 1 国内外相关研究 国外研究现状 伴随 着网络技术的突破性进步和互联网的应用，国外研究人员于2 0 世 纪9 0 年代开始了基于互联网的机器人远程控制的研究。研究工作主要集中 在减少网络通讯时延影响提供控制系统的稳定性。 对遥操作机器人系统的通 讯时延问题提出了很多解决方案， 在某种条件下能够解决网络时延对控制系 统的稳定性造成的影响。 综合目 前的研究成果， 实现基于互联网的机器人控制所采取的控制方案 主要包括: 直接控制方式、 预测显示方式、 监督控制方式、 基于事件的控制、 遥编程方式和波变换方式等。 1 . 3 . 1 . 1 直接控制方式 直接控制方式是一种最基本的控制方式，通过向机器人发送基本控制 指令和基本参数直接控制机器人。 这种控制方式网络性能的要求比 较高， 要 求网络传输时延小、 波动不大。 这种控制方式的优点在于操作者能够看到自 己 操作的直接结果， 而没有外部因素的影响， 充分发挥人的感知、 判断和决 策能力， 增强系统的适应。 其缺点是操作人员视觉等大量即时信息， 在网络 存在明显的通讯时延情况下，直接控制将难以实现。 k h e p o n t h e w e b遥操作 机器人19 120 1就是 采用直接控制方式来实 现网 络 远 程控制的。 该机器人完全不具有智能如自 主避障等， 整个系统装有两台摄像 机， 一台装在机器人上用于观察前方的环境， 另一台装在天花板上用于监视 整个迷宫的环境。 在机器人的控制中是通过两个摄像机连续反馈给用户的图 像信息为依据来判断机器人的位置。 控制指令有三种， 一种是控制机器人运 动的指令， 通过点击控制页面上的位置图坐标来发送控制指令引导机器人移 动目 标点; 第二种指令是应用控制外部摄像机的方向和焦距的; 另一种指令 第一章绪论 仍处于试验和探索阶段。 在国内， 基于互联网的机器人远程控制系统还处于探索和研究阶段， 所 开发的系统仍然处于试验阶段， 还没面向普通网络用户开放的网络遥操作系 统出现在互联网上。 1 . 3 1 . 3 . 1 国内外相关研究 国外研究现状 伴随 着网络技术的突破性进步和互联网的应用，国外研究人员于2 0 世 纪9 0 年代开始了基于互联网的机器人远程控制的研究。研究工作主要集中 在减少网络通讯时延影响提供控制系统的稳定性。 对遥操作机器人系统的通 讯时延问题提出了很多解决方案， 在某种条件下能够解决网络时延对控制系 统的稳定性造成的影响。 综合目 前的研究成果， 实现基于互联网的机器人控制所采取的控制方案 主要包括: 直接控制方式、 预测显示方式、 监督控制方式、 基于事件的控制、 遥编程方式和波变换方式等。 1 . 3 . 1 . 1 直接控制方式 直接控制方式是一种最基本的控制方式，通过向机器人发送基本控制 指令和基本参数直接控制机器人。 这种控制方式网络性能的要求比 较高， 要 求网络传输时延小、 波动不大。 这种控制方式的优点在于操作者能够看到自 己 操作的直接结果， 而没有外部因素的影响， 充分发挥人的感知、 判断和决 策能力， 增强系统的适应。 其缺点是操作人员视觉等大量即时信息， 在网络 存在明显的通讯时延情况下，直接控制将难以实现。 k h e p o n t h e w e b遥操作 机器人19 120 1就是 采用直接控制方式来实 现网 络 远 程控制的。 该机器人完全不具有智能如自 主避障等， 整个系统装有两台摄像 机， 一台装在机器人上用于观察前方的环境， 另一台装在天花板上用于监视 整个迷宫的环境。 在机器人的控制中是通过两个摄像机连续反馈给用户的图 像信息为依据来判断机器人的位置。 控制指令有三种， 一种是控制机器人运 动的指令， 通过点击控制页面上的位置图坐标来发送控制指令引导机器人移 动目 标点; 第二种指令是应用控制外部摄像机的方向和焦距的; 另一种指令 天津大学博士学位论文 是负责开启和关闭摄像机的。该机器人网络控制系统的缺点在于， 控制精 度低， 机器人完成的工作简单， 在网络存在明显时延的情况下， 机器人的控 制将存在困难。 y u等f i s t 用于科研和教学的移动机器人网络远程控制中也采 用了直接控制方式。 3 . 1 . 2 预测显示控制 预测显示法是用随机预测方式预测环境和机器人状态并显示在操作者 的监视器上。操作者通过模拟仿真环境来观察机器人的运动行为进行规划， 这种方法能保证实际机器人动作的准确性。 s c h u l z 等 2 5 在移动机器人的导航中 采用了 预测显示方式。 为了实现机器 人动作的快速视觉化显示， 建立了环境的三维模型对机器人传感器的信急进 行仿真。 其模型利用对象的特征轮廓表示， 使每秒可以传送多幅图像。 为了 达到预测仿真的实时性，还采用了基于环境矩形分块的空间搜索方 一 法。 b a l d w i n等【2 6 采用卡尔曼滤波作为机器人运动的预测算法和全方位视觉的 方法构建了移动机器人网络控制系统。 m a r i n 等2 7 建立了 机器人操作臂及工 作环境的三维预测控制模型。 该模型可以离线操作， 用以对操作臂抓取物体 的动作进行仿真; 也可以在线操作， 对要执行的动作指令进行预测显示， 然 后给机器人指令使机器人产生动作。 从而保证机器人动作的准确性， 避免网 络时延的影响。 虚拟现实技术( v i r t u a l r e a l i t y ) 是近年来在计算机图形学、 仿真技术、 人机接口技术、 多媒体技术及传感技术基础上发展起来的一门交叉技术。 山 于虚拟现实技术以计算机软件技术为核心， 不仅可以生成逼真的二维和三维 虚拟环境， 还可以对听觉、 触觉等进行生动的模拟， 是进行可视化操作及交 互的一种全新的方式，因而 在机器人领域得到了 广泛应用i 2e - g n 。 利用虚拟 现时技术生动逼真的造型能力进行仿真建模是实现预测控制的一个重要手 段，也是近几年得到重点关注的研究方向。 1 . 3 . 1 . 3 基于事件的控制 机器人控制系统有其特定的动作参考。 它的任务和动作是同步的， 并且 控制是根据给定的动作参考来完成的。 传统上动作的参考量是时间。 任务和 动作规划是用时间描述的。 以时间作为动作参考是由于时间量容易获得并且 可以 作为系统不同部分的共同参考。 然而任意的通讯时延会导致以时间为动 第一章绪论 作参考的机器人系统的各部分之间失去同步性， 从而造成系统的不稳定。 由 x i 等ia 1 提出的基于事件的控制方式不以时间作为控制器输入、输出信号的 参考， 而是以某一传感器的输出作为控制系统的参考来智能规划机器人的动 作。其特点是可以避免时延因素对以时间为动作参考的控制系统产生的影 响，提高控制系统的稳定性。 图 1 一 6 传统控制系统 y ( t ) 机器人 图1 - 7 基于事件的控制系统 l i 4 u 1 将基于事件的控制方式用于六自由 度 m o t o m a n机器人的网 络远程 控制中。 远端机器人在执行控制指令的过程中以 机器人末端位置作为 输入量 和反馈量与本地形成闭环控制。 由于控制系统的输入量和反馈量是与时间无 关的机器人末端位置， 而不是与时间相关的速度和加速度， 因此网络时延不 会对控制系统的稳定性产生影响。 在控制中还辅助以预测显示方式， 通过仿 真环境中机器人的位姿及视频图像发出控制指令， 同时仿真环境会根据操作 员的输入预测真实机器人的位姿进行仿真， 而不必等待远端的反馈信息。 综 合运用两种方法来保证机器人的运动精度和系统的稳定性。 e l h a j j等 ， 对移动机器人的远程控制方式进行了研究，以 机器人的运 动速度作为控制的输入量， 把周围环境对机器人的虚拟作用力作为反馈量构 建了基于事件的机器人远程控制系统。 其中的虚拟力是机器人与通过传感器 检测到的障碍物距离相关的量， 当障碍物进入传感器的检测范围是开始产生 虚拟力， 虚拟力反馈回系统使机器人减速， 控制手柄同时感觉到虚拟力的作 天津大学博士学位论文 用。当机器人与障碍物的距离达到限定值时， 机器人停止运行。 在整个控制 过程时间不作为行为参考，避免了时延对系统的影响。 利用基于事件的控制方式， 移动机器人按照操作人员规划的独立于时间 的路径运行，从而避免了由于时延和障碍物干扰造成的误差对控制的影响， 保证遥操作控制系统的稳定性。 例如， 当移动机器人在运动路径上遇到障碍 物时， 机器人会自动停下来， 远程操作人员可以辅助机器人绕开障碍物， 然 后机器人重新回到原先规划好的路径上。 3 . 1 . 4 监督控制方式 监督控制方式把操作人员置于控制系统闭环之外， 远程操作人员只发送 目 标任务和相关指令， 而具体任务由远程机器人控制回路自主完成， 只有当 机器人遇到自己无法处理的情况时才需要人的干预。 远程机器人系统自身是 具有一定自主能力的独立闭环控制系统， 时延环节不存在于这个闭环控制系 统之内， 从而减小时延对整个系统稳定性的影响。 由于互联网存在不确定的 传输时延， 监督控制方式用于任务级的控制是非常必要的。 一些现存的构建 移动机器人自主智能的知识与经验， 如避碰、 路径规划、目标识别都可以用 来提高机器人的适应能力。 l u 。 等4 2 7 1 4 7 对移动机器人远程控制方式进行了 研究， 建立了 基于监督控 制方式的机器人网络控制系统。 结合明确规则和模糊规则设计了机器人自主 避障和目 标跟踪算法， 提供机器人自 主能力。 用户对机器人的控制是通过用 鼠标点击环境地图上目标点的位置实现的。当用户点击地图上某一目札点 时， 该位置信息被发送到服务器上， 服务器把目 标位置信息及控制运动指令 一起发送给机器人， 机器人利用其自主导航能力运动到相应的目 标位置。 用 户可以提供机器人上的摄像机提供的视觉图像，观察机器人的运动状况。 l u 。 等 在后来的研究中14 4 1 4 5 对机器人本地智能的 控制结构进行了 改进， 采用 了行为编程结构， 提高了 机器人对未知环境的适应能力。 b r a d y 等4 s 1 在其机 器人网络控制系统中应用了监督控制方式。 分析了网络传输时延与通讯通道 和带宽的内在关系基础上，采用了状态空间模型建立了机器人的动态方程， 动态方程中考虑了时延的因素。 b a r b e r a 等【4 7 1 应用了基于证据概念的 方法来 提高监督控制系统的交互性能， 使远程控制的移动机器人能够适应半结构化 和非结构化环境。 第一章绪论 1 . 3 . 1 . 5 遥编程方式 遥编程方式是基于任务级的一种远程控制方式 48 一 5 3 j ， 适合于有大时延 的传输媒介， 以及难以事先进行仿真和建立准确模型的未知环境。 与其它远 程控制方式不同之处在于， 操作人员通过控制端向远端机器人发送的不是机 器人的位置或伺服控制指令， 而是具有一定抽象程度的符号命令程序段， 将 通信延迟排除在底层的控制回路之外， 从而可以有效克服大时延的影响。 遥 编程通过将操作人员和机器人本地控制回路分离，从而降低通讯延迟的影 响。 操作人员在通过控制界面进行控制时， 能够以类似直接控制的方式进行 操作。遥编程控制方式实际上采用了共享控制的策略。 1 . 3 . 1 . 6 波变换法 波变换法5 一 s e t 把控制信号和传感器信息的传播看作是波的传播和能 量的扩散而不是数据的交换，近年来这一方法被用于基于工 n t e r n e t 的具有 变化时延的机器人遥操作上。波变换的主要特征是对速度和力信息的编码: 为 s十fb z一f “ 于 万 万” 一 刃 2 b 这里定义二 为正向或向右移动的波， v 则是指逆向或向左移动的波。波 阻抗b 是一个正的常数或对称正定矩阵。 波变量的引入使系统的功率由 原来的功率变量k ( t) . f ( t) 转化为由波变 量。 、 ， 来表示，由左向右的功率传输为正，由右向左的功率传输为负。在 通讯模块中延正负方向波变量的能量是相互独立的。 波变量的主要作用表现 在系统的无源性上，系统的功率由原来 p , = .z f变为p ;n 系统的无源性由下式来判断 f p , d : 二 j i f d : 之 一 “ 。0、 ( 。 ) b t _0 在这里 p m ( t) 是输入功率， e s ra r e ( 0 ) 是系统的初始储存的能量。把该式转 化为波变量的表示形式 天津大学博士学位论文 份7vd 份 ud 二 “ 。一 (“ vi 0 新的表达式除去了原式中互相依赖的功率变量s 和f ，既无源性依赖于两个 变量之积。 在原式中，如果输出变量存在时延， 无源性将是无法预测的。 在 新表达式中， 无源性是积分量。 如果输出变量存在时延， 功率暂时被存储起 来而不影响系统的无源性。从而保证了系统的稳定性。 1 . 3 . 2 国内研究现状 在国内互联网技术的引进和推广晚于国外发达国家。 近几年， 随着互联 网技术在国内发展为在该领域的理论研究和学术探讨创造条件， 国内研究人 员也开始了利用互联网控制机器人的学术研究工作。 针对基于互联网机器人 操作臂的控制问题，哈尔滨工业大学5 9 ) - s , 、上海交通大学6 9 ; - 6 7 1 、 上海同 济大学6 6 0 9 和南开大学7