利用混杂Petri网对基于事件的机器人遥操作系统建模研究

针对采用基于事件思想的移动机器人遥操作系统 ,首次提出以混杂 Petri网作为描述工具进行建模 ,模型的离散部分利用传统的 Petri网 ,对应于系统的操作者 ;连续部分利用重新定义的便于描述微分代数方程的连续 Petri网 ,对应于位于远端的移动机器人 .

面向任务的虚拟环境和人机交互方法研究

基于虚拟现实技术的人机交互方法为面向任务的机器人远程作业研究提供了新的思想和思路 ,增强了机器人系统的遥控作业能力 .本文对机器人系统中虚拟环境和人机交互方法研究进行了综述 ,对虚拟环境中的示教和遥操作进行了评析 ,并探讨了未来遥操作机器人系统作业的发展趋势

虚拟现实辅助机器人遥操作技术研究

本文以水下机器人的遥操作作业为应用背景 ,提出并实现了虚拟现实技术和视觉感知信息辅助机器人遥操作实验系统 .该系统使用了 CAD模型和立体视觉信息完成遥操作机器人及其作业环境的几何建模和运动学建模 ,实现了虚拟作业环境的生成和实时动态图形显示 .采用了基于立体视觉的虚拟环境与真实环境的一致性校正、图形图像叠加、作业体与环境位姿关系建立、基于网络的监控通讯等关键技术 .在这个实验系统中 ,操作人员可利用所生成的虚拟环境 ,在多视点、多窗口作业状态图形和图像显示帮助下 ,实时动态地进行作业观测与机器人遥操作与运动规划 ,为先进遥操作机器人系统的实现提供了经验和关键技术 .

Windows环境下用软件CODEC实现数字视频实时通信

讨论了Ｗｉｎｄｏｗｓ环境下利用软件编解码器实现视频压缩的方法和技巧，结合视频捕获和视频传输，以网络环境下机器人遥操作的实际应用为背景，给出了数字视频实时通信的编程实例。

网络遥操作机器人采样系统模型与控制研究

网络遥操作机器人系统是网络技术与机器人技术相结合的产物。它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；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。网络遥操作机器人技术作为机器人学的一个重要分支，近十几年来受到许多研究机构和研究人员的关注和重视。 本文针对网络遥操作机器人采样控制结构，通过控制策略解决非结构环境下网络遥操作机器人的实时控制问题。为此，首先研究了网络遥操作机器人采样系统建模问题。目前，关于网络遥操作机器人采样系统模型大多是针对单采样周期的，主从端不同采样周期的统一模型目前还没有相关报道。由于操作者是网络遥操作机器人采样系统的组成部分，因此若建立网络遥操作机器人采样系统模型首先要建立操作者模型。然而由于操作者建模问题比较复杂，目前在遥操作系统建模时，一般都避开了操作者建模问题。本文在分析了现有的遥操作控制方式和遥操作系统模型的基础上，主要针对网络遥操作机器人采样系统模型和控制问题进行研究。 操作者模型研究方面，主要以操作者用小臂操作具有力反馈功能的操纵杆为例，研究操作者操作操纵杆过程的动态模型建模方法。首先对人体骨骼肌肌肉力学模型中不可测量，即肌肉激活度，通过实验进行研究，得出在操作者保持紧张程度不变情况下“肌肉激活度”与肌肉收缩长度的关系。在此基础上，考虑手臂的动力学特性、操纵杆的动力学特性，建立了肌肉力驱动的手臂—操纵杆系统动力学模型。在操作者模型的基础上，设计动态补偿器，补偿操作者操作操纵杆的动态过程，解决由于肌肉动态特性被污染所造成的操作者所想与所做不一致的问题，克服操作者操作时延，提高网络遥操作机器人系统的性能。 遥操作机器人采样系统模型研究方面，首先针对主从端不同采样周期的网络遥操作机器人采样控制结构，通过引入双端口RAM的方法，实现网络遥操作机器人系统主从端的采样同步；在网络遥操作机器人采样同步控制结构模型的基础上，建立从端离散状态空间表达式，利用提升技术对从端离散状态空间表达式按遥操作周期提升，利用采样系统理论得到主从端统一的网络遥操作机器人采样系统模型；最后对从端系统提升前后的稳定性、可控性、可观测性进行分析，得出从端系统提升前后稳定性、可控性、可观测性不变的结论。 遥操作控制策略研究方面，提出基于时延预测的采样切换控制方法。首先对互联网节点间的网络时延进行测试分析，得出任意两个网络节点间时延分布规律，即任意时间段内网络时延的概率密度都可以用平移Gamma分布曲线描述。采用拟合样本概率密度曲线的方法，对平移Gamma参数进行预估，得出平移Gamma分布的种类，进而根据平移Gamma分布的种类，确定出网络时延的均值，最后确定出期望的采样周期；为了实现任意采样周期下切换系统的稳定控制，对采样切换系统的稳定性进行了研究，得到如下结论，即如果从端系统一致渐进稳定，则对从端实行任意采样切换控制时网络遥操作机器人采样系统是稳定的。 为了对所研究内容进行实验验证，以移动机器人为被控对象，搭建了一个具有力反馈控制和局部自主功能的网络遥操作机器人采样系统实验平台。用人工势场法建立了虚拟力模型并给出了虚拟力在力反馈操纵杆上的实现方法；以移动机器人自主避障为例，给出了从端自主的模糊控制设计方法和实验系统遥操作软件设计方法。 实验结果证明了所提出的模型和控制方法是有效的、可行的，对于建立性能良好的网络遥操作机器人系统具有现实意义。本文所研究的许多结论，对于一般网络遥操作机器人系统的理论研究和实际应用也具有一定的参考价值。

基于神经元群的网络遥操作机器人控制研究

遥操作技术是机器人学中的一个重要研究方向，互联网的出现和快速发展为本地机器人系统和远端操作者之间提供了新的交互媒介。通过网络将操作者智能与机器人局部自主相结合，充分利用操作者与机器人系统间的交互能力，实现远距离、动态非线性环境下的复杂任务操作，极大地拓展了遥操作机器人系统的应用范围，具有广阔的应用前景。但由于网络传输特性产生的随机时延和多通道问题会严重降低遥操作系统的稳定性；环境的复杂性和动态性也会影响系统的操作性能，使得操作者与机器人之间难以实现良好的交互和控制，甚至威胁到机器人自身的安全。针对这一问题，本文在分析了现有的遥操作理论和方法的基础上，采用事件驱动和动态神经元群控制相结合的方法，研究网络遥操作机器人系统的建模和控制问题。通过提高遥操作机器人的局部自主能力，结合学习能力、短期记忆结构和内部表达方式的建立，增强遥操作机器人的环境适应能力。论文的主要研究内容可分为如下三个方面：基于事件和神经元群方法的控制系统整体设计；具有局部自主的神经元群控制器分析与实现；将多层延迟结构引入神经元群模型，给出了动态神经元群控制器设计。具体研究内容概括如下： 1. 论文对遥操作机器人系统发展历程、研究现状，以及在网络遥操作机器人系统研究中所涉及的一些主要方法，存在的问题和已有的解决方案进行了归纳总结和较为全面系统的分析，然后给出本文研究的主要内容和研究所需的一些准备知识。 2. 论述了涵盖三个大脑信息处理特性：选择性、适应性及协同性的神经元群选择理论，详细分析了选择性神经元群网络的结构、功能和算法。建立了基于选择性神经元群网络的遥操作机器人控制模型。在此基础上进行的仿真对比实验，验证了其在学习能力和收敛精度方面，比传统的人工神经网络方法更具优势。 3. 针对网络遥操作机器人系统中存在的随机时延和模型所具有的未知、不确定和非线性特性，造成系统不稳定和操作性能下降等问题，提出采用基于事件和神经元群控制相结合的方式建立系统控制模型。综合考虑两种控制策略的特点，分别设计两端控制器。通过神经元群模型提高本地机器人的局部自主能力，实时跟踪远端的位置和速度信息；结合基于事件控制方法实现切换控制，降低网络随机时延的影响，保证系统稳定性，提高系统操作性能。在此基础上，结合轮式移动足球机器人模型、网络通讯协议和时延数据的分析，进行仿真实验，结果验证了所提控制方法的有效性。 4. 将神经动力学概念引入到网络遥操作系统中，建立一种新的具有分层延迟结构的动态神经元群模型。引入时延单元增加记忆功能，由此导出的模型更适合应用于处理序列数据。动态神经元群模型将事件序列的时变量转化为空间向量表示，进而转化为多维曲线的分类问题。利用这个模型，实现对遥操作机器人系统动态特性参数的辨识和远端操作者意图的分析预测，并进行了全局渐近稳定性和同步状态分析。通过这种方式克服网络随机时延的影响，保证系统的稳定性和操作性能。针对轮式移动足球机器人进行了仿真实验研究。最后，本文分别利用了基于MATLAB和MSVisual C++开发的仿真平台，验证了以上方法的有效性和控制器的性能。本文所作的理论分析工作及仿真实验，验证了基于事件和神经元群方法实现对网络遥操作机器人控制的有效性。

基于网络的SOMR遥操作系统的研究

基于网络的SOMR（单操作者操作多机器人）遥操作系统可以通过网络将人的智能与多机器人系统的智能相结合，弥补多机器人自主性的不足，从而使得多机器人能够在复杂的非结构环境下执行任务，大大拓展多机器人系统的应用，因而有着广阔的应用前景。 多机器人系统的复杂性决定了操作者很难直接控制多机器人系统，因而多机器人系统需要具有一定的局部自主协调能力，同时操作者和多机器人系统之间还需要具有良好的交互能力，从而达到人机之间的协调工作。以网络作为操作者与多机器人系统进行交互的媒介，网络的时延、时延抖动、多通道传输等问题将给多机器人遥操作系统带来许多困难。目前，对于单操作者通过网络遥操作多机器人系统的研究还较少。本文在分析了现有的遥操作技术和理论的基础上，对基于网络的SOMR遥操作系统主要进行了以下深入细致的研究： 1. 根据基于网络的SOMR遥操作系统的特点，提出了基于网络的SOMR遥操作系统的体系结构ANSOMR（Architecture for Network based SOMR teleoperation system）。ANSOMR体系结构结合了自上而下和自下而上两种体系结构的优点，并充分考虑了系统中的人机交互，意义明确，易于扩展。 2. 围绕ANSOMR体系结构研究系统中多机器人的局部自主和协调，通过基于行为的方法实现了基于网络的SOMR遥操作系统中机器人的基本自主能力，并为多机器人系统的自主协调建立了分层混杂自动机模型。 3. 在ANSOMR体系结构的交互层中，应用多模式控制的方法丰富了操作者对多机器人系统的操作和控制手段，并通过集成多模式控制接口、超媒体反馈和操作界面构成了基于网络的SOMR遥操作系统的人机交互接口，实现了多机器人系统的自主与操作者能力的结合。 4. 研究了网络时延对多机器人遥操作系统的影响，应用基于事件的方法保证了系统的稳定性，并在此基础上提出了一种带有时间标记的基于事件的方法，将基于事件的方法与基于时间的多机器人系统的局部自主规划结合了起来，解决了事件之间的时延对操作者与多机器人系统之间交互的影响，从而提高了系统的效率。 5. 将网络遥操作技术应用于足球机器人系统，建立了基于网络的遥操作足球机器人系统作为实验平台，应用ANSOMR体系结构，封装了足球机器人的基本行为，分析了机器人足球比赛的状态空间，应用分层混杂自动机模型实现了足球机器人的角色分配和行为选择，并为系统设计了人机交互接口，从而使实验系统成为了一个典型的基于网络的SOMR遥操作系统。 通过在实验系统中应用各种模型和方法，对理论和方法的研究进行了实验验证，实验结果证明了所提出的方法是有效可行的，对于建立性能良好的基于网络的SOMR遥操作系统具有现实意义。

基于Internet的机器人遥操作系统QoS策略与同步问题研究

基于Internet的机器人遥操作系统提供了进行网络控制系统(NCS和多媒体通信等学科交叉领域研究的良好平台和契机。服务质量(QoS)的概念起源于多媒体和远程通信领域，大量的文献表明，将NCS和QOS结合起来的研究和应用还很少。本文分析、研究了基于Internet的机器人遥操作系统作为NCS, Internet上的多媒体应用和实时系统等多学科的交叉领域所具有的特点，对该系统同步和协调问题及具有QOS意识的网络机器人遥操作系统体系结构进行了深入、广泛的研究和探讨。就现有的基于Internet的机器人遥操作系统存在的缺乏对网络可用带宽的适应、缺乏多数据流协调等问题，提出了一种针对网络机器人遥操作系统的端到端QOS自适应体系结构AeQTA o在Internet QoS整体工程尚未完全启动的情况下，AeQTA的目的是将QOS的方法和策略尽量移植到端系统上，在端系统上提供QOS配置接口，实施QOS驱动的控制和管理策略，实现最大的网络效率、最可能好的应用性能和合理的业务流间资源分配的和谐统一。从时钟同步、速率控制、拥塞控制、多传感器信息同步和端到端的调度等几个方面剖析了基于Internet的机器人遥操作系统的协调和同步问题。针对NC S系统的同步容限的量化问题，提出了NCS多传感器反馈中的同步距离的概念和定义。然后，根据基于公式的、TCP－友好的速率控制的基本思路，结合使用应用需求QOS和网络QOS两种尺度调节的基于主媒体流的表象同步方法，将多传感器信息同步和速率控制统一起来，提出了一种速率控制方法TTFRC，提高了系统的实时性和TCP－友好性。为了给基于Internet的机器人遥操作系统研究提供一个真实的实验环境，为相关的策略和算法提供验证平台，我们建立了一个开放的、灵活的、可移植的、可裁减的且成本低的MOMR原型系统。目前，该原型系统已经为基于Internet的机器人遥操作系统深入的理论研究和实际经验积累做出了很大贡献。并且，在此基础上，由中国科学院沈阳自动化研究所和香港中文大学合作，己于2402年1月通过Internet实现了沈阳—香港—密西根三地的MONM远程协作。力求控制工程和计算机网络工程等多学科的结合是本论文工作的努力方向。

机器人插件作业的视觉导引方法研究

插件作业 (parts mating)是装配机器人的一项基本作业环节 .本文介绍了以双目立体视觉实现该作业的视觉导引方法 .该方法通过采用人机交互方式 ,借助于人的智慧 ,提高了图像特征提取和匹配的准确性和可靠性、可直观准确地给出插件作业的动作参数 ,克服了自动视觉计算复杂、鲁棒性差的缺点 ,适用于机器人遥操作作业 .实验表明 ,基于人机交互的机器人插件作业在立体视觉导引下是完全可行的

The Proceedings of the First PHANToM User's Group Workshop

These proceedings summarize the results of the First PHANToM User's Group Workshop held September 27-30, 1996 MIT. The goal of the workshop was to bring together a group of active users of the PHANToM Haptic Interface to discuss the scientific and engineering challenges involved in bringing haptics into widespread use, and to explore the future possibilities of this exciting technology. With over 50 attendees and 25 presentations the workshop provided the first large forum for users of a common haptic interface to share results and engage in collaborative discussions. Short papers from the presenters are contained herein and address the following topics: Research Effort Overviews, Displays and Effects, Applications in Teleoperation and Training, Tools for Simulated Worlds and, Data Visualization.

Manobras de condução assistida para veículos submarinos subactuados

A intervenção humana no manuseamento de veículos submarinos operados remotamente (ROVs) é um requisito necessário para garantir o sucesso da missão e a integridade do equipamento. Contudo, a sua teleoperação não é fácil, pelo que a condução assistida destes veículos torna-se relevante. Esta dissertação propõe uma solução para este problema para ROVs de 3DOF (surge, heave e yaw). São propostas duas abordagens distintas – numa primeira propõe-se um sistema de controlo Image Based Visual Servoing (IBVS) tendo em vista a utilização exclusiva de uma câmara (sensor existente neste tipo de sistemas) por forma a melhorar significativamente a teleoperação de um pequeno ROV; na segunda, propõe-se um sistema de controlo cinemático para o plano horizontal do veículo e um algoritmo de uma manobra capaz de dotar o ROV de movimento lateral através de uma trajectória dente-de-serra. Demonstrou-se em cenários de operação real que o sistema proposto na primeira abordagem permite ao operador de um ROV com 3DOF executar tarefas de alguma complexidade (estabilização) apenas através de comandos de alto nível, melhorando assim drasticamente a teleoperação e qualidade de inspecção do veículo em questão. Foi também desenvolvido um simulador do ROV em MATLAB para validação e avaliação das manobras, onde o sistema proposto na segunda abordagem foi validado com sucesso.

Hardware development of the Yorick series of active vision systems

This paper presents a review of the design and development of the Yorick series of active stereo camera platforms and their integration into real-time closed loop active vision systems, whose applications span surveillance, navigation of autonomously guided vehicles (AGVs), and inspection tasks for teleoperation, including immersive visual telepresence. The mechatronic approach adopted for the design of the first system, including head/eye platform, local controller, vision engine, gaze controller and system integration, proved to be very successful. The design team comprised researchers with experience in parallel computing, robot control, mechanical design and machine vision. The success of the project has generated sufficient interest to sanction a number of revisions of the original head design, including the design of a lightweight compact head for use on a robot arm, and the further development of a robot head to look specifically at increasing visual resolution for visual telepresence. The controller and vision processing engines have also been upgraded, to include the control of robot heads on mobile platforms and control of vergence through tracking of an operator's eye movement. This paper details the hardware development of the different active vision/telepresence systems.

Calibration of closed loop controllers for setting impedances in force-reflecting systems

This paper discusses a new method of impedance control that has been successfully implemented on the master robot of a teleoperation system. The method involves calibrating the robot to quantify the effect of adjustable controller parameters on the impedances along its different axes. The empirical equations relating end-effector impedance to the controller's feedback gains are obtained by performing system identification tests along individual axes of the robot. With these equations, online control of end-effector stiffness and damping is possible without having to monitor joint torques or solving complex algorithms. Hard contact conditions and compliant interfaces have been effectively demonstrated on a telemanipulation test-bed using appropriate combinations of stiffness and damping settings obtained by this method.

The remote control ofmobile robot on theInternet

During last decades, the Internet teleobotics has been growing at an enormous ratedue to the rapid improvement of Internet technology. This paper presents theinternet-based remote control of mobile robot. To face unpredictable Internet delaysand possible connection rupture, a direct continuous control based teleoperationarchitecture with “Speed Limit Module” (SLM) and “Delay Approximator” (DA) isproposed. This direct continuous control architecture guarantees the path error of therobot motion is restricted within the path error tolerance of the application.Experiment results show the feasibility and effectiveness of this direct Internet controlarchitecture in the real Internet environment.

Balance-bot

Research on inverted pendulum has gained momentum over the last decade on a number of robotic laboratories over the world; due to its unstable proprieties is a good example for control engineers to verify a control theory. To verify that the pendulum can balance we can make some simulations using a closed-loop controller method such as the linear quadratic regulator or the proportional–integral–derivative method. Also the idea of robotic teleoperation is gaining ground. Controlling a robot at a distance and doing that precisely. However, designing the tool to takes the best benefit of the human skills while keeping the error minimal is interesting, and due to the fact that the inverted pendulum is an unstable system it makes a compelling test case for exploring dynamic teleoperation. Therefore this thesis focuses on the construction of a two-wheel inverted pendulum robot, which sensor we can use to do that, how they must be integrated in the system and how we can use a human to control an inverted pendulum. The inverted pendulum robot developed employs technology like sensors, actuators and controllers. This Master thesis starts by presenting an introduction to inverted pendulums and some information about related areas such as control theory. It continues by describing related work in this area. Then we describe the mathematical model of a two-wheel inverted pendulum and a simulation made in Matlab. We also focus in the construction of this type of robot and its working theory. Because this is a mobile robot we address the theme of the teleoperation and finally this thesis finishes with a general conclusion and ideas of future work.