網(wǎng)絡化遙操作系統(tǒng)的簡介

王林 白軍影

摘要：隨著科技的進步和發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡的壯大和進步，機器人的遙操作系統(tǒng)作為一門綜合學科，也在不斷發(fā)展。隨著80 年代左右計算機技術的高速發(fā)展，計算機技術不斷地逐步應用到遙操作系統(tǒng)中。計算機技術作為連接遙操作和其控制算法的關鍵紐帶，使一些控制算法能夠在這個平臺上實現(xiàn)。隨著數(shù)字化的到來，盡管在現(xiàn)在看來遙操作技術在研究領域中可以說已經(jīng)取得了階段性的成果，但是在未來更深層級的發(fā)展道路上依然還是任重道遠，因此也存在著無窮的潛力和更廣闊的發(fā)展空間。

關鍵詞：遙操作;網(wǎng)絡化;數(shù)字化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0012-01

0 引言

進入20世紀以來，隨著科學技術的快速發(fā)展進步，現(xiàn)代的科技也在日益進步，人們的活動的區(qū)域和研究的領變得越來越大，尤其是對未知領域探索的熱度也是水漲船高。但與此同時，對于一些危險的環(huán)境，比如深海探測、核廢料處理、遠空探索、遠程醫(yī)療等等[1]，傳統(tǒng)的機械式設備已經(jīng)很難滿足人們的工作和探索的需求了。也正是由此原因，才會使得基于遠距離操控原理的遙操作得到關注，同時也很好地解決了這個問題。

1 遙操作系統(tǒng)的源頭

不得不說，遙操作系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個階段。首先，在1945年，美國的Argonne國家實驗室（ANL）研制了第一個機械手，而這第一個機械手的作用是解決原子能領域的有關核放射物體的抓取和對于核肥料的處理的相關問題[2]。隨后過了幾年，在1948 年，世界上第一個采用了兩個完全對稱的主從機械臂的方式構(gòu)成的遙操作系統(tǒng)橫空出世了，這時操作者已經(jīng)可以對主機械臂進行控制，而從機械臂也可以跟隨者主機械臂運動，進而去執(zhí)行對人類有危險的任務。而隨著時間的流逝，在1954年，Geortz經(jīng)過不懈的努力終于研發(fā)出了第一個帶有伺服反饋的機電遙操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)主要是為了對車輛進行控制，在當時這個系統(tǒng)真的改善了操作性能[3]。在那之后又基于動力學與運動學的角度有人使用并且引入了雙邊控制的方法，這個方法使得讓人手利用操作桿來進行遠距離操作的夢想成為了現(xiàn)實，這一進步在很大的程度上不僅僅是減輕了操作者的任務量，同時也減少了危險性。之后隨著80年代的計算機技術的飛速發(fā)展，計算機技術也開始被人們重視研究并逐步應用到了遙操作的系統(tǒng)中，計算機技術也漸漸開始作為連接遙操作和其控制算法的紐帶，使得一些控制算法能夠在這個平臺上實現(xiàn)并且付諸于實際應用。而這也使得遙操作系統(tǒng)的性能發(fā)生了根本性的本質(zhì)變化，其應用領域也開始越來越廣[4-5]。網(wǎng)絡化遙操作系統(tǒng)也逐漸成為國際上的主流研究方向之一。

2 遙操作系統(tǒng)的構(gòu)成

接下來先簡單的介紹一下要操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。如圖1所示，正規(guī)的遙操作系統(tǒng)主要由五個部分組成。這五個組成部分分別為人類操作者（operator）、主機器人（master）、信息通訊網(wǎng)絡（communication channel）、從機器人（slave）和外界環(huán)境（environment）。其中人類操作者即為人類可以控制的主力臂，可以由自己施加力的大小來控制和改變;主機器人又稱為主力臂，即為主機械臂，即人手直接控制的。信息通訊網(wǎng)絡即為傳送主力臂與從力臂之前信息得中間樞紐，一般為網(wǎng)絡，也因此會存在時延等不確定性因素。從機器人即為從機械臂，也就是人手遠程控制的那個力臂，即為了完成特定任務存在于危險環(huán)境下的那個力臂。外界環(huán)境即為從力臂所處的特定環(huán)境，一般具有一定的危險性或者距離性，在特定場景和時間下人類無所直接或者間接接近的環(huán)境。

3 網(wǎng)絡化遙操作的性能分析

接下來介紹一下網(wǎng)絡化的一些優(yōu)勢和優(yōu)點。應用網(wǎng)絡化對遙操作系統(tǒng)進行控制，最顯著的幾個優(yōu)點如下：①成本下降;②減少系統(tǒng)配線;③實驗環(huán)境更加安全方便。與此同時，具有反饋控制通信網(wǎng)絡的引入給網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)增加了許多新的挑戰(zhàn)，尤其是使其分析和處理相關的問題變得更加的困難。因為數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸?shù)倪^程中，會不可避免的出現(xiàn)時延的現(xiàn)象，這是網(wǎng)絡化狀態(tài)下難以避免的問題。

除此之外，在整個的遙操作系統(tǒng)控制過程中，有兩個重要的指標：一是穩(wěn)定性，二是透明性。其中穩(wěn)定性是整個遙操作系統(tǒng)控制的前提，只有一個穩(wěn)定的系統(tǒng)才能正常的工作。而透明性則是指的用戶的操作體驗。從端機械手臂可以準確的追蹤主端機械手臂的運動軌跡，同時將從端的環(huán)境信息準確傳遞給用戶，如果碰到了阻礙時用戶是否可以感受到了相應的阻力，這種情況下可以是主端用戶“身臨其境”的感受到從機械臂的信息就是遙操作系統(tǒng)控制的另一個性能指標。但是，在實際真實的的情況下在遙操作系統(tǒng)的控制中，穩(wěn)定性和透明性往往是不能兼得的。

4 采樣系統(tǒng)的提出

為了解決上述出現(xiàn)的一些問題，將采樣控制放入遙操作系統(tǒng)中成為了一種方案。這么做是由于采樣控制系統(tǒng)是允許系統(tǒng)中連續(xù)信號和離散信號同時存在即共存的。因此，選擇了采樣控制系統(tǒng)，也就使得數(shù)學模型、分析和設計方法必會與傳統(tǒng)的連續(xù)控制系統(tǒng)不同，也與傳統(tǒng)的純離散系統(tǒng)不同。在人們熟知的想法中，按照常規(guī)的純離散系統(tǒng)和傳統(tǒng)的常規(guī)的連續(xù)系統(tǒng)的設計方法設計的控制器固然不能滿足采樣控制系統(tǒng)的要求，這些種種的上述情況都加大了對采樣控制系統(tǒng)研究的難度。數(shù)字設計方法是對采樣系統(tǒng)在離散時域內(nèi)運用離散控制理論對其進行分析和設計，與模擬設計方法不同，該方法將連續(xù)被控對象離散化，得到被控對象的近似模型，以離散化的被控對象為模型，設計離散控制器，利用了采樣系統(tǒng)和離散閉環(huán)系統(tǒng)的性能近似性這一特點。

5 結(jié)語

隨著信息化的不斷發(fā)展和進步，相信會有越來越多的方案被提出來解決這些已存在的問題，本文也只是簡單的介紹一下遙操作系統(tǒng)的大致概念和系統(tǒng)的構(gòu)成，同時也稍微提了一下遙操作系統(tǒng)采樣控制研究的一些內(nèi)容，有興趣的讀者可以自行進行查閱。

參考文獻

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[2] Yoon W K ， Goshozono T ， Kawabe H ， et al. Model-based space robot teleoperation of ETS-VII manipulator[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，2004，20（3）：602-612.

[3] Hokayem P F ， Spong M W . Bilateral teleoperation： An historical survey[M].Pergamon Press， Inc.2006.

[4] 朱延河，趙杰，蔡鶴皋.一種新型雙并聯(lián)主操作手構(gòu)型設計[J].機械設計，2003（08）：34-36.

[5] 史勝利.基于Internet的機器人遙操作系統(tǒng)關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學，2004.