（机械电子工程专业论文）基于网络的异构工业机器人集成技术研究.pdf

摘要 摘要 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔设计了第一+ 台电子可编程的工业机器人，并 于1 9 6 1 年发表了该项机器人专利。从此以后，机器人技术突飞猛进，如今，基 于网络的机器人遥操作和协同技术又成为机器人研究领域的热点之一。开展基 于网络的异构机器人集成技术的研究，对于生产技术的提升，对以数字化、柔 性化、敏捷化为基本特征的基于网络的制造技术都有非常重要的意义。本论文 针对异构机器人集成作了深入的研究，论文的主要内容归结如下： 第一章对基于网络的遥操作机器人研究的发展和现状作了全面的分析，在 此基础上，提出异构机器人集成技术的主要障碍在于系统的封闭性，解决障碍 的方案在于充分利用开放式系统控制器，而利用开放式控制器进行集成的 关键技术是要具备一个开放式结构的软件环境的观点。 第二章对常用的机器人专用软件( 语言) 环境和通用软件环境进行了分析， 特别对开放软件环境的实时性要求及现有的实时操作系统作了比较深入的 叙述。在此基础上引入c h 软件环境。作为c 语言解释器的超级设置，c h 具备工程应用软件环境的基本功能，是一个优秀的工程应用集成软件环境。 但是c h 本身不具备实时操作功能，限制了它在工程中的应用。论文对c h 环境的实时控制功能进行拓展，根据c h 的特点，对面向阻塞因子的p c p 和 c s p 协议进行改造，使之更符合实时操作的需要。经测试，这两种协议都 能满足实时工作的要求，而c s p 协议比p c p 协议具有更好的实时响应能力。 在本章中作者还开发了基于r t l i n u x 的c h 下设备驱动程序，使得常用的开放 式结构控制器都能够在r t l i n u x 下的c h 软件环境中运行。 第三章着重讨论在c h 环境下实现基于网络的数据采集技术。作者首先讨论 在c h 环境下建立动态链接库的一般方法，在解决将软件供应商提供的设备驱动 及应用软件包在c h 环境下进行包装和动态链接问题以后，成功通过网络利用 n i 公司的a t m i o 1 6 e 1 0 采样板进行数据采集，并将该技术应用于平皮带 传动试验，实验结果证明用该方法实现基于网络的数据采集技术是可行和 可靠的。 第四章对基于网络的运动控制器遥操作技术进行研究，论文以美国d c l 扭 t a u 公司的p m a c 和深圳固高公司的多轴运动控制器为代表，开发了c h 下多轴 摘要 运动控制器的动念链接库，并实现多轴运动控制器的遥操作。在本章中还对运 动控制器在遥操作下的响应特性进行了详细研究，实验结果证明p i d 十自f 馈控制 的控制方法能够满足机器人关节运动控制的要求。在本章中，作者还对p u m a 机器人原有控制系统进行改造，用开放式结构控制器p m a c 取代原有控制器， 实现p u m a 机器人基于网络的遥操作，并且推导了p u m a 机器人6 自由度关节 的逆运动方程，编制了相应程序实现逆运动学在线编程计算； 第五章对气动伺服控制器s p c - 2 0 0 的操作原理进行详细的探讨，将清华紫 光的u n i s p e n 绘图，书写笔嵌入到j a v aa p p l e t ，使j a v a 能够在远程调用u n i s p e n 进行绘图或书写，开发了在c h 下s p c 控制器驱动的动态连接库，实现对气动机 器人的遥操作。对在网络遥操作情况下气动机器人的动态响应和轨迹跟踪性能 进行研究和测试，证明动态响应与气动伺服机构本身的响应并无差异；遥操作 时的轨迹跟踪能够满足遥临摹的要求，在此基础上，实现了气动书法机器人基 于网络的遥临摹。 第六章以单一计算机平台相同机器人控制器的机器人系统集成和不同计算 机平台不同机器人控制器的机器人系统集成问题为例子，系统地研究了在c h 环境下异构机器人系统集成技术，特别研究了机器视觉与气动伺服控制器结 合，利用机器视觉系统对物体进行识别，通过网络实现气动伺服控制器遥 操作技术 第七章作为全文的总结，对论文的主要内容进行回顾，罗列了本文的 主要结论和创新点。 关键词：机器人开放式结构实时操作集成遥操作 一1 1 一 a b s t r a c t i n 1 9 5 4 ，g e o r g ed e v o l ，a na m e r i c a np e o p l e ，d e s i g n e dt h ef i r s tp r o g r a m m a b l er o b o t l a t e r t h ef i r s tr o b o t i cm a n i p u l a t o r p a t e n tw a sp u b l i s h e db yu sp a t e n ta n dt r a d e m a r ko f f i c e s i n c et h e n ， t h et e c h n o l o g yo fr o b o th a sb e e nd e v e l o p e d q u i c k l y n o wt h ew e b b a s e d t e l e o p e r a t i o na n d c o o r d i n a t i o no fr o b o t i c m a n i p u l a t o r s b e c o m et h er e s e a r c hh o ti nt h i sa r e a t h e s t u d yo f w e b - b a s e di n t e g r a t i o no f h e t e r o g e n e o u sr o b o t i cm a n i p u l a t o r sw i l la b s o l u t e l yp u s hf o r w a r dt h e d e v e l o p m e n t o ft h e t e c h n o l o g y o fr o b o t s t h i s t e c h n o l o g y i s i m p o r t a n t f o rw e b b a s e d m a n u f a c t u r e ，w h i c hc h a r a c t e r i z e sd i g i t a l i z a t i o n ，f l e x i b i l i t y ，a n da g i l i t y m yt h e s i sf o c u s e do nt h e i n t e g r a t i o na n da p p l i c a t i o no fh e t e r o g e n e o u sr o b o t i cm a n i p u l a t o r s t h ec o n t e n to ft h i st h e s i s i n c l u d e s ： t h ef i r s t c h a p t e ro ft h et h e s i s r e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h et a l e - o p e r a t i o no fr o b o t i c m a n i p u l a t o r a c c o r d i n g t ot h er e v i e w sa n d a n a l y s i so f c u r r e n tr e s e a r c h e s ，lr a i s eac o n c e p tt h a tt h e o b s t r u c t i o no fi n t e g r a t i o no f h e t e r o g e n e o u sr o b o t i cm a n i p u l a t o r si st h ec l o s e - a r c h i t e c t u r eo f t h e s y s t e ma s o l u t i o nt os o l v et h i sp r o b l e mi st ou s ea no p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e rt h ec r i t i c a l i s s u et oa c h i e v et h i ss o l u t i o ni st od e v e l o pa no p e n - a r c h i t e c t u r es o f t w a r ee n v i r o n m e n t i nt h es e c o n dc h a p t e ro f t h e t h e s i s ，i tc o m p a r e st h ec p l ( c o m m o np r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) a n dr p l ( r o b o tp r o g r a m m i n gl a n g u a g e ) i ta l s oa n a l y s e st h eb a s i cr e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e o p e r a t i o no fa no p e n ，a r c h i t e c t u r es o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dc u r r e n tu s e dr e a l - t i m eo p e r a t i o n a f t e r t h i s ，c hl a n g u a g ee n v i r o n m e n ti s i n t r o d u c e d a sa s u p e r s e t o fci n t e r p r e t e r ，c h c h a r a c t e r i z e sa l lb a s i ca b i l i t i e so fe n g i n e e r i n go p e n a r c h i t e c t u r el a n g u a g ee n v i r o n m e n t i ti sa n e x c e l l e n t e n g i n e e r i n gl a n g u a g e e n v i r o n m e n t b u tu n t i ln o wr e a l t i m e o p e r a t i o n i ss t i l ln o t a v a i l a b l ei nc h ，je x p e n d e dt h ec hr e a l - t i m ef u n c t i o ni nt h i s c h a p t e r i a l s om o d i f i e da n d e v a l u a t e db o t ht h ep r i o r i t yc e i l i n gp r o t o c o l ( p c p ) a n dt h ec e i l i n gs e m a p h o r ep r o t o c o l ( c s p ) w i t h i nc he n v i r o n m e n tu n d e rr t - l i n u xs u p p o f t t h ee v a l u a t i o n ss h o wt h a tb o t l lm e t h o d sc a n s a r i s f yt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m et a s k s ，b u tt h a tt h ec s pm e t h o di sg e n e r a l l ym o r ee f f i c i e n t a n ds c a l e sb e t t e r ia l s od e v e l o p e da n dc o d e dt h er l - l i n u xs u p p o r t e dd e v i c ed r i v e ri nc h e n v i r o n m e n t s ot h e g e n e r a lo p e n - a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r sc a nb e i n t e g r a t e d w i t h i nc h e n v i r o n m e n tu n d e rr t - l i n u x s u p p o r t t h et h i r dc h a p t e ro ft h et h e s i sm e n t i o n st h et e c h n o l o g yo fw e b - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o n i d i s c u s s e dt h eg e n e r a lm e t h o do fb u i l d i n gd y n a m i cl i n k e dl i b r a r y ( d l l ) i nc he n v i r o n m e n ti n t h i sc h a p t e r a f t e rt h ed e v i c ed r i v e r & a p p l i c a t i o ns o f t w a r ep a c k a g eh a v eb e e np a c k e da n db u i l tt o ad l li nc h ii m p l e m e n t e daw e b b a s e dd a t aa c q u i s i t i o nu s i n ga t - m i o - 1 6 e 1 0d a qb o a r d f r o mn ii n c t h i sm e t h o dh a sb e e nu s e di na t e s tb e do f b e l tt r a n s m i s s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s h o w st h a tt h et e c h n o l o g yo f w e b - b a s e dd a t aa c q u i s i t i o ni sa v a i l a b l ea n dt h er e s u l ti st r u s t i n e s s t h ef o u r t hc h a p t e ro ft h et h e s i sd i s c u s s e st h et e l e - o p e r a t i o no fm u l t i a x e sm o t i o nc o n t r o l l e r i v a sac a s es t u d y ，id i s c u s s e dp m a cf r o md e l t at a ua n dg o o g o lf o r mg o o g o ll n c ，d e v e l o p e d d d lf o rm u l t i a x e sm 0 6 0 nc o n t r o l l e r , a n d i m p l e m e n t e dt e l e o p e r a t i o no f t h ec o n t r o l l e r t h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mr e s p o n s eo fm u l 6 a x e sm o t i o nc o n t r o l l e ru n d e rt e l e o p e r a t i o na r e s t u d i e di nt h i sc h a p t e r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep i d + f e e df o r w a r dc o n t r o ls a t i s f i e s t h er e q u i r e m e n to fm o t i o no fj o i n to fr o b o t i cm a n i p u l a t o r i nt h i s c h a p t e r ，ih a v er e t r o f i t t e d o r i g i n a l c o n t r o l l e ro fp u m aw i t h o p e n - a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r p m a c ，i m p l e m e n t e d t h e w e b - b a s e dt e l e - o p e r a t i o no fp u m ar o b o t i cm a n i p u l a t o r t h ei n v e r s ek i n e m a t i c se q u a t i o n so f p u m ar o b o tw e r ea l s od e r i v e da n dc o d e di nt h i sc h a p t e r t h ef i f t hc h a p t e ro ft h et h e s i sf o c u s e so nt h ep n e u m a t i cr o b o tt e l e o p e r a t i o n ih a v es t u d i e d d e t a i l so f p n e u m a t i cs e r v ep o s i t i o nc o n t r o l l e rs p c 一2 0 0 u s i n gj n im e t h o d ，t h eg r a p h i c st a b l e t i n p u td e v i c eu n i s p e nf r o mt s i n g h u au n i s p l e n d o u rg r o u p h a db e e ne m b e d d e dt oj a v aa p p l e t s o w e bu s e rc a nd r a w p i c t u r eo rc a l l i g r a p h y i nj a v a a p p l e tt h r o u g h n e t id e v e l o p e dt h ed d lf o rs p c d r i v i n g u n d e rc he n v i r o n m e n ta n di m p l e m e n tt h et e l e - o p e r a t i o no f p n e u m a t i cr o b o t t h ed y n a m i c r e s p o n s ea n dp r e c i s i o no ft r a j e c t o r yf o l l o w i n go fp n e u m a t i cr o b o th a db e e ns t u d i e da n d t e s t e d 。 t h er e s u l t ss h o w t h a t t h e d y n a m i cr e s p o n s eo f p n e u m a t i cr o b o t i sd e p e n d e n to ns y s t e m i t s e l f a n d i n d e p e n d e n to nw e b t h ep r e c i s i o no ft r a j e c t o r yf o l l o w i n go fp n e u m m i cr o b o tc a ns a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t o f w e b - b a s e d e a l l i g r a p h y t h es i x t hc h a p t e ro ft h et h e s i ss t u d i e st h ed i f f e r e n tc a s e s ；i n t e g r a t i o no fh a p l o i dc o m p u t e r p l a t f o r m h a p l o i d r o b o tc o n t r o l l e r , a n di n t e g r a t i o no fh y b r i d c o m p u t e rp l a t f o r m h y b r i d r o b o t c o n t r o l l e r t h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fh e t e r o g e n e o u sr o b o t i cm a n i p u l a t o r s u n d e rc he n v i r o n m e n th a v eb e e ns t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h ei n t e g r a t i n go fm a c h i n ev i s i o ni n t o p n e u m a t i cr o b o t a tt h ee n d o ft h i sc h a p t e r ，ib u i l ta ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw h i c hu s e sm a c h i n e v i s i o nt oi d e n t i f ya nu n k n o w no b j e c ta n df i n a l l yt oc a t c ht h i so b j e c tb yt h ep n e u m a t i cr o b o t t h e c o m m u n i c a t i o no f t h em a c h i n ev i s i o na n dr o b o ti st h r o u 曲i n t e m e t a st h ec o n d u s i o no ft h et h e s i s c h a p t e rs e v e nl i s t e dt h em a i nr e s e a r c ha r e a si nt h i st h e s i s n a l s oi n c l u d e sa i lc o n c l u s i o n s 。c o n t r i b u t i o n s ，a n di r m o v a t i o n so f a u t h o r k e y w o r d s ：r o b o t i cm a n i p u l a t o r ，o p e n a r c h i t e c t u r e ，r e a l - t i m e o p e r a t i o n ，i n t e g r a t i o n ， t e l e - o p e r a t i o n v 一 独创性声明及学位论文版权使片j 授权书 学号! q q q 墨q 5 堡 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及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育 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谢意。 学位论文作者签名：司批奉 签字g 掰：。一争年2 月口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝1 江墨鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权逝 江盘茔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：，：j 8 抠磊 导师签名： 。陵驽一 签字日期：z 一仃乒年z 月l 口e l签字日期：伽毕年2 月c 口臼 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江工程学院集成技术研究中心 通讯地址：杭州文一路1 1 8 号 一i 一 电话：8 8 4 9 5 2 3 7 邮编：3 1 0 0 3 3 第一章引言 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 1 9 5 4 年，美国人乔治德沃尔设计了第一台电子可编程的工业机器人，并 于1 9 6 1 年发表了该项机器人专利。此后的十几年时间，机器人技术有所发展， 美国万能自动化公司( u n i m a t i o nc o ) 等企业相继推出用于工业化生产过程的 机器人1 2 j 。到了2 0 世纪7 0 年代以后，人工智能学开始介入机器人学的研究， 机器人作为人工智能的一个试验和应用平台，为人工智能的理论和实践，提供 非常理想的应用领域。伴随着7 0 年代电子计算机、自动控制理论的迅速发展， 机器人技术也进入一个新的发展时期，这个时期机器人技术的研究着重点在于 机器人的机构学理论以及制造业中机器人的应用，研制的机器人也大多应用于 生产条件比较恶劣、重复单调的工作场合如生产装配线、喷漆、焊接等场合， 其中最具有代表性的产品就有u n i m a t i o n 公司的p u m a 系列工业机器人。从2 0 世 纪8 0 年代后期开始，随着计算机技术的快速发展，微控制器、嵌入式系统广泛 应用于工业自动化设备，它们为机器人的智能化、小型化提供了强大的技术支 撑，网络技术的发展，又使机器人技术研究如虎添翼，机器人技术的研究兴起 新的高潮，虽然传统的制造业机器人仍是人们研究的对象，但是行走机器人、 特种机器人、水下机器人、太空机器人、服务机器人、娱乐机器入、微型机器 人等都进入人们的研究范畴。机器人的应用领域也从制造业扩大到军事、服务、 医学、科学探索、教育和娱乐等各个行业，到2 0 0 0 年，全世界服役机器人约1 0 0 万台，这个数字现在还在继续增长中例。 现代科学技术的进步，机器人相关技术和研究领域也不断发展。1 9 9 4 年， 美国加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a ，b e r k e l e y ) 的k e ng o l d b e r g 博士首先提出基于网络的机器人遥操作的设想，并将此设想付诸实践。基于网 络的遥操作构想极大地扩展了以前的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可 以通过h t t p 提供的标准接口访问并操作机器人或“机器人化机器”，也使得 今后通过网络进行自动生产线的重组和柔性生产成为可能。 与此同时，多机器人的协同操作也成为机器人研究领域的一个热门课题。 在水下和太空探险机器人、危险环境机器人、服务机器人、工业生产线等机器 人应用领域，多机器人系统经常用来处理一些对单个机器人来讲相对比较困难 的任务，多个机器人组成的团队可以更可靠、更方便、甚至更便宜地完成指定 的任务。 第一章引言 对基于网络的异构机器人集成技术进行研究，它的意义不仅在于对一种机 器人集成技术进行探索，更重要的是它还提供一种生产技术提升的基础。二十 世纪末网络技术的崛起和迅速发展，揭示了二十一世纪将是以网络为中心的技 术新时代，计算机虚拟技术和基于网络的制造方法将会进入到传统的设计和制 造领域，电子商务活动更加推动企业在网络技术上的技术改造。我国进入w t o ， 使我们的企业进入全球的竞争环境中，为了在竞争中取胜，信息以及其对信息 的反应速度将会是今后企业在竞争中取胜的关键，它迫使企业加强以网络技术 为中心的技术改造，将整个企业的商务和生产活动集成在一个统一的基于网络 的制造系统中，这个系统以数字化、柔性化、敏捷化为基本特征。柔性化与敏 捷化是快速响应客户化需求的前提，表现为结构上的快速重组、性能上的快速 响应、过程中的并行性与分布决策。 1 。2 与本论文相关的机器人技术研究的现状与发展 本论文课题主要涉及机器人遥操作技术、分布式多机器人系统集成控制技术 及多机器人系统集成的软件环境的研究。 1 1 1 机器人基于网络的遥操作技术 机器人基于网络的遥操作技术涉及机器人控制、i n t e m e t 通信网络、人工智 能等多项技术。它的研究内容主要包括两个方面：一是基于网络的智能分布式 计算，目前解决这个问题的途径基本是采用美国的对象管理组织o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n tg r o u p ) 开发的中件技术“公用对象请求代理程序结构”c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 来处理；另一个方面是接口问题， 即：机器人与网络的接口( 控制器) 和人与计算机的接口界面 4 1 。日本机器人协会 ( j a b a ) 工业机器人委员会第4 工作组制定了开放式网络机器人接口标准 0 r i n l 5 1 ，试图将这个问题得到彻底解决。 自从上世纪9 0 年代i n t e m e t 开始在美国兴起以后，特别是与i n t e m e t b 示准图形 接口的开发【6 】，短短几年全球的i n t e r n e t 用户数量成指数般地增长。1 9 9 4 年，美 国d n , j l l 大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o m i a ，b e r k e l e y ) 的k e ng o l d b e r g 博士 认识n i n t e m e t 网络的巨大作用，开始使用i n t e r n e t 提供对远程机器人的开放性访 问的研究，也就是现在所说的基于网络的遥操作【7 】璐】。1 9 9 4 年春，他和他的研究 小组建立了世界上第一个基于因特网的机器人遥操作系统“m e r c u r y ”，这个系 统在一个s c a r a 型的机器人的末端安装了摄像头和空气喷嘴，将该机器人的操 作连接到因特网，用户登录网站以后可以遥操作机器人在一个型堆满沙子的半 圆形容器中寻找埋在沙子中的物品，然后根据物品解一个字谜。这个系统向社 一2 会公众开放了近半年，共有5 万人次登录访问了该系统，该遥操作系统的示意 图和工作界面如图1 所示【9 1 。 图1 1k e ng o l d b e r g 博士研制的第。个遥操作机器人及其界面 1 9 9 5 年8 月，k e ng o l d b e r g士与美围加州 i r v i n e 分 i 约j o s e p h s a n t a r r o m a n a 博士合作，建立了他们第二个机器人遥操作实验系统，该系统叫做 “t e l e g a r d e n ”，访问着在登录网站以后，可以用一个机器人对一个小花园进行 管理，包括播种、施肥、浇水等工作都可以由机器人完成。这个系统如图1 2 所 示【1 0 l 。 图1 2t e l e g a r d e n 遥操作机器人及其界面 最著名的基于网络遥操作机器人应该属于西澳大利亚大学( u n i v e r s i t yo f w e s t e r na u s t r a l i a ) 的k e nt a y l o r 博士于19 9 4 年建立的”t e l e r o b o t ”，这是一个6 自由度的工业机器人，访问者通过登录网站以后可以操作这个工业机器人在三 维空间运动，一个固定安装的摄像头把机器人的运动情况通过网络反馈到网 第一章引言 页。最初的运动控制需要访问者键入空问的运动点位置坐标，后来经过改进的 人机界面可以直接用图形界面操作【1 1 】 1 2 。其系统示意图如图1 3 所示。 图1 3t e l e r o b o t 遥操作机器人 与此同时，1 9 9 4 年9 月英国布拉德福大学( u n i v e r s i t yo f b r a d f o r d ，e n g l a n d ) 的m a r kk c o x 博士在英国也建立了访问者可以从遥操作望远镜得到图像的遥 操作机器人1 1 3 】，访问者向位于英格兰约克郡的p e n 曲1 e s 的自动望远镜发送观察 请求，由这个系统自行决定什么时候天文状况最符合观察的条件，并将观察的 图像采集下来，系统界面如图1 4 所示。 图1 4 英国m a r k k ，c o x 博士开发的遥操作望远镜及界面 1 9 9 6 年，美国加州大学伯克利分校( u n i v e r s i t yo f c a l i f o r n i a , b e r k e l e y ) 的 e r i cj o h n p a u l o s 博士建立了一个叫做“m e c h a n i c a l g a z e ”的实验系统【1 4 i t l 5 1 ， 4 第一章引言 该机器人遥操作系统可以控制摄像头的视点和分辨率，可以用来观察放置在机 器人工作空间以内的艺术品。远程登录者可以建立他们自己关于展示工艺品的 对话窗。这个系统如图1 5 所示。 图1 5m e c h a n i c a lg a z e 实验系统 随后，e r i cj o h np a u l o s 博士还建立了第一个网上的遥操作机器人实验室 “l e g a lt e n d e r ”1 17 1 ，有兴趣者可以注册登录，通过对两张1 0 0 美元现钞进行详 细观察和真伪辨别【1 8 1 。 图1 6 第一个网上的遥操作机器人实验室“l e o a l t e n d e r ” 1 9 9 9 年以后，基于网络的机器人遥操作系统的开发就更多了，其中比较 著名的有美国宾州w i l k e s 大学的p 啪a p a n 口川，它由m a t t h e w s t e i n 蛐， 访问者登录网站以后，可以遥操作p u m a 7 6 0 工业机器人及末端执行器上的画笔 进行油画创作，安装在现场的摄像头将创作过程反馈给访问者，创作完成以后， 访问者还可以付费要求将自己的创作邮寄回来。该系统如图1 7 所示。 图1 7m a t t h e ws t e i n 博士和他的p u m a o a i n t 类似基于固定式工业机器人遥操作系统还有：澳大利亚w o l l o n g o n g 大学的 a t k i n s o n 博士和c i u f o 博士研制的w e b 关节机器入；新西兰m a s s e y 大学的 n a h a v a n d 博士及其研究小组，把a s e ai l b 6 2 型机器人连接至l j w e b 网络上。使 用j a v a 和j a v a s c d p t 编程语言，能够使标难的c g i 设备与w e b 服务器进行通信；使 用机器人的j a v a 框架，能给机器人的运动编程：使用j a v a d x 应用程序上的存储 按钮，能够对机器入的多种运动进行说明。这样，j a v a 编程语言能够提供机器 人编程的直观方法。其他的科研机构也在对远程机器人操作领域进行探索和研 究，其中有麻省理工学院林肯实验室、华盛顿大学、斯坦福大学、卡内几梅隆 大学机器人研究所等。研究的远程控制体系结构可归为3 种方式：1 1 预测显示 或预测控制；2 ) 双边控制；3 ) 远端编程【2 2 】【2 3 】。 我们国家也有对遥操作机器入进行研究的报道，但未见有向公众直接开放 的实验室【2 4 【2 5 】【2 6 1 。 除了对固定机器人进行遥操作研究以外，对移动机器人的遥操作研究也是 近年来研究的热点。在这方面比较著名的实例有： 1 9 9 6 年，a t & t 贝尔实验室a e k a p l a n 等人研制的遥操作小车可以让登录 者通过一个简单的网络界面来操作，小车发回行驶的实地摄像。这个结果给人 们留下非常深刻的印象1 2 7 j 。 6 一 第一章引言 幽18a e k a p l a n 等人研制的遥操作小车 美国卡耐基梅隆( c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y ，c m u ) 大学的l e a r n i n gr o b o t l a b 研究小组从1 9 9 5 年开始研究一个自主机器人的自动导航系统【2 8 j ，他们研制 的“x a v i e r ”自主机器人可以通过网络接受指令，在他们的研究所楼层中随意 进入任何办公室，“x a v i e r ”携带的摄像头可以记录它经过的一切并将摄像传 送回去。这个实验一共持续3 年，共接受3 万余个指令要求和行驶2 1 0 公旱， 这个实验当时引起相当大的轰动1 2 ”j 【”j 。 图1 9 “x a v i e r ”自主机器人 以上的遥操作机器人一般都是给经过训练的人员用于工业系统和研究。如 何设计一个可供未经训练、非机器人领域专家使用的遥操作机器人成为新的挑 7 战。这方面比较早向市场提供现成产品的有瑞士k t e a m 公司【3 2 】，它的早期产 品有k d a i a 系列和以后的k h 印e r a 及硒印e r a i i ，实际上，k t e 锄已经成为自主机 器人研究的一个平台和团体，它的产品也广泛应用于各研究单位和机器人遥操 作爱好者。 图1 1 0 k - t e a m 公司的k o a l a 和k h e p e r a 自主机器人 同样的产品还有美国a c t i v m e d i a r o b o t i c s 公司的先锋系列和i r o b o t 公司的 自主机器人。 图i | 1 l 先锋自主机器人 图1 1 2i r o b o t 自主机器人 从目前来看，基于网络的遥操作机器人已经数百，甚至还有专门的研讨会 来讨论基于网络的遥操作机器人及其技术【”】【3 4 】。随着网络带宽的增加，系统延 迟减少、传送速度也随之提高。但是，网络总归还是一个不可靠的传递媒介， 这种不可靠在下载一幅图象时可能仅是一种不快，但是在一个昏乱、复杂和来 知环境中实时控制机器人时就可能会引起一场灾难，w e b d r i v e r 技术提供了这种 情况的解决办法【3 5 】1 3 6 j 。 1 1 2 分布式多机器人协同技术 分布式多机器人协同技术包括协调和合作技术。协调和合作是二个不同的概 - 8 一 第一章引言 念。协调( c o o r d i n a t i o n ) 主要关注机器人本身以及机器人之间的运动的协调一 致，它关心的是载荷分布、运动分解、避碰轨迹、运动规划等问题，而合作 ( c o o p e r a t i o n ) 则是专门对多机器人系统而占，它关心的是在给多机器人系统一 个任务时，它们自身如何组织多个机器人去完成任务，机器人之问的协商、谈 判、仲裁的机制又是如何等等。多机器人的协调和合作是多机器人系统研究中 的两个不同而又有联系的概念。前者研究的重点是机器人之间的合作关系确定 以后具体的运动控制问题，后者是高层的组织与运行机制问题【3 7 】。 来源于分布式人工智能的智能体( a g e n t ) 概念在研究多机器人系统的协作 问题中正受到越来越多的重视。在i e e er & a ，i r o s 等著名的国际机器人会议上， 直是非常热门的话题。一些研究项目如a c t r e s s t 3 8 】、s w a r m 3 9 】等，也都支 持这种研究。国内也有一些研究单位对此进行过研究，比如中科院沈阳自动化 研究所机器人学开放实验室就在8 6 3 计划资助下，开展过基于多智能体机器人 协作装配系统的研究1 4 。他们将三台工业机器人和一台移动小车组成一个多机 器人装配系统，该系统在人的参与下进行多机器人协作装配的实验。在他们的 实验中，一台中心控制计算机控制所有的任务规划，所以它是一种在集中控制 下的任务的协调，智能体之间利用串行口进行通信。除此之外，中科院自动化 所【4 i l 等单位也开展这方面的理论研究。 对分布式多机器人系统的研究主要在以下几个方面： 1 1 行为技术 多机器人协同技术的研究是从基于行为的机器人控制技术发展而来的1 4 2 l ， 而基于行为的机器人控制技术本身则起源于仿生。人们从蚂蚁、蜜蜂、鸟等的 行为中得到启迪，研究机器人团队的聚集、分散、搜寻、痕迹跟踪等行为【4 3 】 “】 4 5 】， 并将这些行为应用在野外搜寻、探索、及军事领域。文献h 6 j 介绍了一个仿照狼 群的“追逐逃脱”，可用于地面和太空自主行走机器人群控制的例子，评价追 逐的智能以及在不同逃脱策略时的系统性能。而近年来仿生技术最著名的应用 例子就是足球机器人比赛，通过让一队机器人模仿人类进行足球比赛，从而加 深对基于行为的机器人控制技术和人工智能技术进行研究。人工智能杂志专门 对此进行讨论，这方面的相关论文可参考娜1 1 4 9 5 0 1 5 1 l 【5 2 1 5 3 1 1 5 4 1 。 2 ) 多机器人