基于Internet的远程操作和监控工业机器人

1、摘要在分散的制造环境中，远程控制和监测是至关重要的。今天的需要维持高生产率和灵活性的分布式车间的响应能力就是很好的证明。然而，由于缺乏一个集成了远程状态监测及控制的自动化设备的有效的系统架构，这就需要进行太多关于网络数据传输和时间延迟等方面的考虑。本文提出了一种基于互联网和传感器驱动的体系结构，它可以保证不失真的传送控制信息和减少本地虚拟机器人和远程机器人行动之间的时间差，并进行远程监测与控制。为了证明和验证建筑设计，一种3自由度慧鱼工业机器人的远程操作和监控系统目前已经很发达了。实验结果是令人鼓舞的，它展示了一种先进的智能化领域的应用制造环境。关键词：远程操作、远程控制、远程机器人、先进制造

2、系统小批量产品种类繁多的分布式制造车间是全球企业和外包的小到中型企业的典型特点。为了保持竞争力，他们需求的动态的控制和实时监控功能来响应和适应快速变化的日常生产生活，为了达到最佳的产品质量和最高的生产效率，分布式制造与网络化制造相结合的出现使其变成现实。自1993互联网技术出现后不久，大量解决在分布式制造中存在的问题的方法和架构已经被提出。然而，他们中的大多数是用于开发基于网络的协同设计，快速原型设计，与项目管理。例如，webcadet用于分布式设计支持，CyberCut 用于基于网络的快速加工，和negotiationlens 用于解决冲突。遗憾的是，今天的大多数制造设备没有内置的传输能力和

3、接收数据。几个可用的网络系统是专门用于远程实时监控。互联网上的时间延迟是可变的和不可预知的，一个直接的远程控制设计方案能够使用户精确控制机器人或其他设施的行为是很不容易的，特别是对那些需要精确的动作来完成的一些任务，如分布式制造，远程医疗，远程实施等。互联网上的远程控制方案在文献中提出过，但控制系统目前还没有实时监测和行动的特点。在一个典型的远程控制和监测系统中，以机器人远程控制和监测为例，用户可以在任何可以连接到互联网的地方，通过浏览器控制真正的机器人。他们可以在远程站点从反馈控制的机器人的状态信息来监控机器人的运动；此外，用户通过互联网上虚拟的机器人的仿真模拟可以很容易掌握远程控制机器人的

4、方法。但在基于Internet的远程操作中，控制流和反馈流通过TCPIP协议转让，这不具有实时同步问题性能。在互联网上的时间延迟可以改变控制和反馈信息，从而使整个远程控制系统不稳定。因此，我们提出了一个基于互联网的远程实时监测与控制架构，这在分布式制造中具有重要的意义。因为在eManufacturing它很容易概括其他应用程序，在本文中，我们利用实时远程操作和监控的工业机器人作为案例来进行讨论和分析。本文的组织如下，在2节中，主要进行基于网络的机器人的控制和监测的问题分析；在第3节中，解决系统架构的设计问题；在第4节中，一个基于设计结构的原型系统（虚拟工厂robcon）已经实现；在第5节中，利

5、用实验来验证监控系统的有效性；它易于在先进制造系统中进行推广应用，结论在最后一节。在不久的将来，分布式处理、制造及设施管理可以很容易地通过远程控制和监测系统来实现。它具有以下优点：（1）成本低、覆盖全球；（2）广泛的应用领域和维修方便；（3）操作者和机器人都可免于空间和时间的限制。但是，互联网作为一种媒体的信息包的传输没有实时性及同步性的保证。当它被引入到一个远程机器人控制和监控系统，不可预知的时间延迟是主要的应用障碍。一个典型的机器人远程控制和监测系统如图1所示。 图1典型机器人远程控制和监测系统示意图用户与虚拟机器人通过用户界面进行联系，这已经利用Java实现在不同的平台上运行。用户发送控

6、制信息给远程机器人，同时，控制信息在客户端被输入到虚拟机器人，虚拟机器人的动作与远程站点的动作是一致的。操作员根据虚拟机器人的行动和反馈信息如触觉或视觉信息决定下一步的操作。在一个实际的机器人远程控制和监测系统中，本地端和远程端将发送和接收在每个采样时间周期内的数据包。因为数据包在互联网上根据路由器的负载被路由，数据包可以通过不同的道路、不同的节点数传送到远程站点，尽管一些数据包通过相同的节点，但在某些特定的延迟时间上的路由节点是不同的。当控制信息流时，这些因素导致不可预知的时间延迟信息流通过互联网进行传送。由于时间延迟的影响，通过互联网的控制流转移可能是一个结果。远地本地 图2 空采样和多采

7、样如图片2所示，它表明接收机没有数据包K + 1和K + 2之间的时间间隔，这称为零采样时间间隔；在 K + 2和K +3之间，如果接收器有两个数据包的PK+ 1和PK + 2，这就是所谓的多采样时间间隔；在K + 1和K + 2之间，如果接收器有一个数据包，那么它是在预期的情况下，所以通过互联网传送的控制流扭曲，如图信 号 强 度时间/s a信 号 强 度时间/sb图3 a 输入控制流 b通过互联网的扭曲的控制流另一个问题是虚拟机器人和远程实时机器人之间的异步。控制流是由虚拟机器人和远程机器人执行的。远程机器人的动作滞后于虚拟机器人，这是不可避免的，因为存在网络的传输时延。最糟糕的情况是时间

8、差会累积到无法忍受的某种程度上，使得虚拟机器人的行为并不能反映当时的机器人的真实行为，然后当时的操作者将失去对远程机器人的状态的认识。 工业机器人的远程控制和监控系统的体系结构在图1中有一些不良的特征。第一，空采样和多采样，如图2所示，控制信息失真的LED显示如图3所示；第二是虚拟机器人和远程机器人动作之间的时间差。因此，可以摆脱这些问题的架构是必要的。首先，我们要解决的第一个问题。图4显示了改进的网络控制架构，同时控制流重构模块的信息也被介绍；它有两个子模块：样品清单和控制流构造函数。我们不只是在利用队列，因为我们需要在列表中使用两次元素。该模块可以处理在空采样和多采样的情况下的原始输入控制

9、信息，重建控制信号并送入网络运营商的网站，经网络时延TD1后由远程站点接收；FD并根据时间戳将其存储在样品清单中。在缓冲时间TD2后，样品的列表清单必须包含一个具体的控制信息的样本，其数目足可以进行一个事件，这样即便机器人停止等待控制信息的输入，也可以避免对远程机器人或机器人周围的人造成损伤。图4 基于Internet的远程机器人的控制与监测方案控制流构造函数在每个采样时间t周期内从样品列表取出一个样品重构控制信号。如果一些数据包丢失，该构造函数将使用最近使用的数据包来填充它。控件的功能信息流的重建，如图5所示，当TD=TD1+TD2时。因此，工业机器人的远程控制和监测系统结构如图4所示。首先

10、解决的的问题，这是当地的控制信息被转移到一个远程站点通过互联网和不是扭曲的，尽管有延迟时间td。TD可以导致本地虚拟机器人和行动之间的时间差远程机器人；这个动作时间的差异也许可以累积到无法忍受的程度，所以我们必须尝试为了进一步提高控制结构。信 号 强 度 mm时间/sa信 号 强 度 mm时间/sb信 号 强 度 mm时间/sc图5 a 输入控制流 b 通过互联网的扭曲的控制流 c 改进后的控制流操作者希望真正的机器人像虚拟机器人一样能几乎在同一时间执行在一个特定的动作。体系结构如图4所示可以处理网络引起的空采样和多采样时间延迟，保证真正的机器人像虚拟机器人一样做同样的动作。但它也有一个问题，

11、因为网络延迟时间td的积累，真正的机器人和模拟机器人之间的时间差会不断增加。在一个具体的行动中，真正的机器人执行动作滞后虚拟机器人越来越长，在几个时间点上，控制虚拟机器人的行动将不能反映真正的机器人的行动。为了解决这个问题，我们对远程机器人的控制和监控体系结构进行了进一步改进，如图6所示。图6 改进的远程机器人的控制与监测方案进一步改进的架构方案保证了真正的机器人与虚拟机器人在任何特定的时间点做同样的动作。作为重建的控制信号重新送入机器人来执行，给对应的控制信号的控制包增加一个时间戳进去，时间戳是控制包执行的时间，这个控制包的控制数据是不必要的反馈；它可由能描述这个控制包的信息来替换，需要找到

12、这个信息包并在本地站点和它相比较。这个信息是B（I），为了节省带宽，它是结合传感器的信息，如视觉，激光，声纳遥感信息来传递回本地站点。反馈信息的解释器认可这个控制包BD（i），当远程机器人执行控制包的控制信息时，它包括时间戳。时间戳减去时间戳F（i）是在F时间（i）被发送，这导致T。这是VR差调节器模块的功能，其调节器包括一个队列包含F（i），F（I + 1），F（I + 2），F（）。减法的结果可以控制虚拟机器人的动作，使它在任何时间点像真正的机器人一样做相同的动作。T = Tb（i）TF（i）是延迟，当F（J）上的队列被送入一个虚拟机器人时的动作。一个建立基础上的体系结构如图6所示的原型是

13、实现为用户提供基于互联网和传感器驱动的直观的环境的实时监控监测系统，而不是相机图像，感兴趣的物理设备，如机器人或机器设备，可通过一个基于场景图OpenGL的三维模型来表示。三维模型是由本地的CPU和可以在远程工作的显示在客户端的可视化的真实行为来绘制。它仍然存在，通过低量的传感器数据和消息传递用户控制命令与物理设备进行连接。三维模型从不同的角度为用户提供可视化的灵活的图案，就像漫步或飞行是不可能的通过使用固定的光学相机的进行设置是一样的道理。默认情况下，虚拟三维机器人提供给了远程操作的远程车间的机器人的运动状态。但每当需要它时，现成的网络就绪的摄像机可以很容易地切换至远程以捕获不可预知的真实场

14、景。可在很大程度上减少网络流量，同时保证机制为分散的用户进行实时监控和远程控制。控制和监测我们的原型界面如图7所示图7 两个画面的实时操作和监控工业机器人总结起来，原型系统的特点如下： （1）使用交互式的传感器驱动，基于OpenGL的三维模型场景图，而不是消耗带宽摄像机图像的视觉监测； （2）仅发送控制命令和传感器数据进行实时虚拟模型和真正的机器人之间的操作和监控； （3）为远程用户提供不同的方法来监测的虚拟机器人的运动，让用户知道机器人的运动状态。3自由度慧鱼工业机器人是个模型，就像图7中的图片一样。在我们的控制实验中，机器人是通过移动对象及轨迹预先设定来进行远程操作的。控制采样频率信号是20赫兹，位于昆明的网络代理被使用，本地/远程站点则位于广州，因此，本地/远程站点之间的逻辑距离约2000公里，在虚拟机器人与机器人之间的动作的差异和时间的差异如图8所示。图8动作时间差和行为差异比较。A，B性能的典型架构。C，D性能提出的控制架构结果表明，与我们的提出的控制架构相比，虚拟机器人和机器人之间的行为的差异随时间差的减少而减少。图9显示了一些真正的机器人，它证明了我们的远程实时监控系统的有效性和适用性。图9 3自由度慧鱼工业机器人远程操作系统远程监控在分散制造环境中是至关重要的，需要维持高生产率和灵活性的分布式车间是很好的证明。