基于网络的机器人遥操作系统：运动描述语言方法

基于网络的机器人遥操作系统是互联网技术与机器人技术相结合的产物，其基本特点是操作者的决策能力与远端机器人系统精确、快速运动能力的有机结合，这种结合通过互联网这种廉价的通讯媒介得以实现。这类系统较之于传统机器人系统的优点主要体现在两个方面：一方面延伸了操作者的感知和操作能力，使操作者可以置身于安全的环境中而完成危险环境中的作业任务；另一方面提高了机器人对工作环境的适应能力，辅之以操作者的决策，机器人可以工作于非结构化的工作环境中。随着互联网技术的飞速发展，基于网络的机器人遥操作技术在远程医疗、远程服务、远程制造等领域得到了广泛的应用。 互联网技术为机器人遥操作技术的应用开辟了广阔的应用前景，但同时也带来了新的挑战，互联网数据传输的特征——有限带宽、随机时延、丢包和乱序等——降低了遥操作系统的性能，甚至造成系统的不稳定。传统的主从式控制策略增加了操作者的工作负担，而且需要占用大量网络带宽，造成网络资源的浪费；而协作式控制策略虽然可以减少通信量，但操作者对机器人系统的影响降低，而且只能依据经验设计。另外，传统的控制策略并没有考虑机器人遥操作系统的混杂本质特征。一个理想的机器人网络遥操作系统应该能够实现系统计算、通信等功能的合理划分。合理划分的原则是：把操作者从控制闭环中解放出来，适当减轻操作者的工作压力；充分利用机器人系统的计算能力和运动能力，降低系统对网络带宽的需求；适当保留操作者对机器人系统的决策能力，从端机器人系统要有一定的自主能力。基于以上基本原则，本文提出了基于运动描述语言（Motion Description Language, MDL）的机器人网络遥操作系统设计方法，针对该方法在以下几个方面进行了深入研究： 1. 针对现有的机器人网络遥操作系统结构存在的问题，提出了基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统控制结构。该控制结构充分考虑了机器人网络遥操作系统的构成特点，实现了系统计算、通信等功能的合理划分，为系统设计奠定了基础。 2. 结合基于事件的规划与控制理论，提出了新的运动描述语言模型，并以轮式移动机器人的镇定问题为例说明了基于运动描述语言的机器人系统控制方法。为了分析运动描述语言的网络环境特征，我们对基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统进行了仿真研究，并与传统的遥操作方法进行了对比分析，仿真结果表明，基于运动描述语言的控制方法对网络随机延迟具有鲁棒性。 3. 在基于网络的机器人遥操作系统中，操作者依据系统运行过程中特定的事件进行决策，据此提出了遥操作系统中的信息变换和运动描述语言框架中的增强信息反馈方法。在信息变换方法中，针对各种媒体信息的特点以及操作者的感知特征，把视频信息转换为力信息，引导操作者提供和系统状态对应的控制命令。运动描述语言框架中的增强信息反馈方法反映了操作者感知离散事件的本质特征，对操作者感兴趣的离散事件进行了凸显，增强了操作者的感知能力。实验结果验证了两种方法的有效性。 4. 针对具体的遥操作目标抓取任务，建立了基于运动描述语言的机器人网络遥操作原型系统，定义了一致可操作性的概念，并探讨了运动描述语言框架中的优化问题。通过实验对传统的控制方法与基于运动描述语言的控制方法进行了对比分析，实验结果说明，基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统在降低操作者工作负担以及减少对通信网络带宽需求方面具有很大的优势。 基于运动描述语言的机器人网络遥操作系统克服了传统控制方法的缺点，通过抽象实现了数据的压缩，这种特点较之于传统的控制方法在降低通信量以及操作者的工作负担方面具有很大的优势，对于提高机器人网络遥操作系统的性能具有现实意义。