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第 卷第 期
年 月
∂
≥
机器人
ΡΟΒΟΤ
文章编号 2 2 2
应用遥编程的大时延遥操作技术Ξ
李焱
贺汉根
长沙国防科技大学机电工程与自动化学院
长沙
摘
要 如何克服通信线路中的大时延和有限带宽 是空间遥机器人面临的最重要的一个问题 本文阐述了应
用遥编程技术提高大时延遥操作的稳定性和操作精度的基本思想 提出了一种将操作区分段 采取复合控制策略的
遥操作方法 同时介绍了基于遥编程概念的遥操作实验系统的设计及其试验结果
关键词 遥机器人 遥操作 遥编程 虚拟现实
中图分类号 × °
文献标识码
ΤΕ ΛΕ ΟΠΕΡ ΑΤΙΟΝ ΤΗ Ρ ΟΥ Γ Η ΛΑΡ Γ Ε ΤΙΜΕ Δ ΕΛΑΨ
ΑΠΠΛΨΙΝΓ ΤΕ ΛΕ ΠΡ ΟΓ Ρ ΑΜ ΜΙΝΓ
≠ ∞ 2
Ινστιτυτε οφ Ε λεχτρομ εχηανιχαλΕ νγ ινεερινγ ανδ Αυτομ ατιζατιον Ν ατιοναλΥνιϖερσιτψ οφ Δ εφενχε Τεχηνολογψ Χηανγ σηα
Αβστραχτ √ ∏ ∏ 2 ∏2
∏ ∏ 2
¬ ∏
∏
∏ • ∏ ∏ ¬
¬ ∏
Κεψωορδσ √ ∏
1
引言 Ιντροδυχτιον
操作技术的研究逐步重视起来
大时延遥操作面临的主要问题是
所谓的大时延遥操作 是指在较大的通讯延迟
操作员控制站和遥机器人操作现场之间存在
较大的通信延迟 通信延迟体现在遥控指令的传输
延迟和遥测信号的传输延迟两个方面 在空间站应
用中单行传输延迟一般在 ∗ 秒左右 将这种时
间延迟引入控制回路 将使系统的稳定性受到严重
和有限的通讯带宽条件下 由本地的操作员控制远
地的遥机器人完成作业任务的一种操作方式 在空
间应用领域 一般是指操作员在地面控制空间的机
器人进行操作 大时延遥操作技术的研究 将使由空
间机器人代替宇航员完成各种空间作业任务成为可
能 在空间机器人领域 大时延遥操作技术近年来获
得了国内外的广泛关注 自 年代以来 美国!欧
洲!日本等国家都对大时延遥操作展开了大规模的
研究和实验 其中比较有代表性的是欧空局 ∞≥
于 年 月进行的 × ∞÷实验 以及日本于
年 月进行的 ∞× ≥2∂ 卫星实验 在中国 近
几年随着空间机器人技术发展的加快 对大时延遥
挑战
≈
通信带宽资源有限 这将使操作员难以获得
足够的包括实时视频信息在内的反馈信息 从而限
制了操作员对操作现场进行准确的感知和判断
为了克服以上两方面的问题 人们主要从以下
几方面进行了研究 关于大时延遥操作技术的综述
请参见论文≈
Ξ
基金项目 本文源于 空间机器人与遥科学资助项目 /遥科学实验中的虚拟现实仿真技术 0
收稿日期
机
器
人
年 月
直接控制策略 ⁄ ≤ 在传统遥控
方式基础上 采用预测显示技术和时延力反馈技术
等手段进行时延补偿 直接控制策略的优点在于 充
分利用人的感知!判断和决策能力 增强系统的适应
能力 具有较强的故障恢复能力 其缺点在于 在直
接控制方式下 需要向操作员提供关于操作环境的
包括视觉!运动觉在内的大量即时信息 所需带宽较
高 而在大时延条件下 这种基于传感器信息的遥现
是很难实现的 另外 为了保证操作的稳定性 操作
员不得不降低操作速度 这将大大降低系统的动态
响应性能
编程试验也都取得了成功 遥编程为大时延遥操作
开辟了一条很有希望的途径
我们在遥编程概念基础上 建立了大时延遥操
作实验系统 进行了插方孔等高精度操作试验 本文
的贡献在于 在阐述遥编程在大时延遥操作中应用
的基本思想的基础上 提出了一种采取复合控制策
略的遥操作方法 并对方法的有效性进行了试验验
证 在本文的第二部分 我们将介绍遥编程的基本原
理 在第三部分 我们将介绍基于遥编程的复合控制
策略遥操作实验系统 在第四部分 描述了试验及其
结果
监控策略 ≥∏ √ ≤ 在监控策略
下 主要依赖遥机器人的自主能力 其优点在于 可
以将时延排除在底层控制回路之外 从而在局部获
得较高的稳定性能和控制精度 但受限于全局自主
能力的不足 遥机器人的对于环境的变化缺乏足够
的感知和应变能力 因而灵活性差 在遇到差错 !意
外情况时 很难依靠自身进行误差恢复
2
遥编程原理 Πρινχιπλε οφ τελεπρο− γραμ −
μ ινγ
在遥编程系统中 利用对操作环境的先验知识
构造虚拟环境 操作员面向虚拟环境进行操作 同时
获得即时的视觉和运动觉反馈 系统监视操作员的
动作 并将操作员的动作转化为符号命令程序 发送
给遥机器人执行 遥机器人接受命令 半自主地连续
执行 并不断向操作员报告执行状态 当检测到误差
或意外情况发生时 遥机器人自动停机 并等待操作
员的误差恢复命令
共享控制策略 ≥ ≤ 从直接控制
策略和监控策略各自的特点 能够看到二者之间存
在互补性 因而研究者们开始将目光转向寻求能够
扬二者之长而避二制之短的共享控制策略 也就是
≈
让操作员和遥机器人在操作过程中责任共享 既允
许操作员进行直接操作 发挥其判断决策能力 又保
证遥机器人具有一定的自主性 其中比较有代表性
的一种思路 就是遥编程的思路
遥编程系统借助虚拟现实技术和基于机器人语
言的程序自动生成技术实现了直接控制和监控两种
控制方式的融合 一方面 在操作员界面上 经过虚
拟环境 使操作员得以连续的直观的方式操纵虚拟
机器人 另一方面 遥机器人接收来自操作员控制站
的符号命令 以局部自主的方式运行 从而在底层的
控制回路中避开了时延
遥编程 × 的目标是在大时延
条件下 在操作员界面 使操作员能够以直接控制的
方式进行操作 与传统遥控方式不同的是 在操作员
控制站和遥机器人之间传递的不是关节空间 Ù操作
空间的伺服控制指令 而是具有一定抽象程度的 符
号命令程序段 从而减少通讯带宽限制 遥编程经过
将操作员和遥机器人的控制回路分离 从而降低通
讯延迟的影响 遥编程系统实际上采用了共享控制
的策略
在遥编程系统中 存在两个控制回路 一个是在
操作员的主控站 另一个在遥机器人工作站 在操作
员主控站 经过计算机仿真技术和虚拟现实技术 使
操作员获得即时反馈信息 从而进行连续操作 主控
站的另一项功能是根据操作员的动作 自动生成符
号命令程序 符号命令的抽象程度 取决于遥机器人
的智能程度 能够是自由位置控制的动作级命令
能够是接触作业时的受约束运
动命令 ∏ √ 也能够是任务级 × √2
的程序 遥机器人是具有较高执行性能和一定容
错能力的半自主机器人 能够连续执行主控站的命
令 并检测当前的运行状态 当由于主控站的虚拟模
型和实际模型出现偏差从而造成执行误差 或由于
操作环境的不确定性发生意外时 遥机器人会自动
停机并向主控站报告 具体可参见图 事实上 遥
遥编程概念最初是由美国 ° √ 大学的
° ∏ 于 年提出来的 为了验证遥编
≈
程概念的有效性 ° ∏ 所在的 ≥°
√ ≥ °
实验室先后与 ≥ 的喷气与推进动力实验室
° 以及 • • 2
∏ 的深水作业实验室 合作进行了空间和水
下试验 均取得了成功 另外 法国的 ≥实验室
研制的 ∞⁄∞ 系统!日本的 ∞× ≥∂ 卫星试验中遥
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李
焱等 应用遥编程的大时延遥操作技术
编程系统一般是工作在连续操作状态 在控制过程中
不受时间延迟的影响 只在发生意外 需要进行误差
恢复时受时间延迟的影响
遥编程系统从功能上主要由三个部分构成
图
遥编程系统概念结构图
ƒ ∏
操作员界面 操作员界面主要实现两个方面
的功能 一方面 经过虚拟环境向操作员提供即时的
视觉和运动觉反馈 另一方面 经过来自远地操作环
境的传感信息向操作员反馈遥机器人的实际执行状
态 以使操作员进行误差诊断 选择适当的误差恢复
措施 虚拟环境首先要真实描述操作环境 不但反映
操作环境的静态几何模型 而且要进行碰撞检测 并
在发生碰撞时 根据物理模型进行响应 反映操作环
境的动态物理模型 除此之外 能够在虚拟环境中构
造一些合成对象 ≥ ƒ ¬ ∏ 向操作员提供
与任务相关的!上下文相关信息 从而能够辅助操作
员更方便而准确地完成任务
结构能够完全遵循智能系统的结构 采用多目标的
基于行为的结构 这时 主控站的命令信息将有助于
但不完全决定遥机器人的任务规划 从而实现共享
控制方式
遥编程的一个核心问题是意外情况的处理 在
遥操作中 我们定义一个 /意外情况 0为超出预定序
列以外的状态 与自主机器人不同的是 在遥编程中
我们认为意外情况是无法预知并不可避免的 我们
依靠操作员进行误差的诊断和恢复而非寻求自主进
行误差恢复 遥编程的关键问题在于如何从意外情
况中恢复执行而非尽量避免意外发生 由于遥编程
本质上是基于模型的操作 因此 在遥编程系统中
最关键的问题是如何克服由于操作环境的不确定性
等因素带来的虚拟模型和实际环境的差别 在自由
运动状态下 这种差别尚不甚明显 但在试图建立或
保持某种接触状态时 这种差别就显得极为重要
程序自动生成部分 经过监视操作员的动
作 将操作员的操作意图转化为遥机器人能够理解
执行的符号命令程序 符号命令程序应该携带足够
遥机器人执行的信息 对于动作级命令 一般包括以
下几方面信息
3
遥操作实验系统 Εξπεριμ ενταλτελεοπερα−
#动作的标识号
τιον σψστεμ
#动作的位置Ù力控制信息
3 1
分段复合控制策略
#运动的力和速度的约束信息
#动作的结束条件
在遥操作的不同阶段 对操作精度和平稳性有
对于任务级命令 一般包括以下几方面信息
#附加的传感器信息 遥机器人无法得到的
#任务上下文说明
不同的要求 我们能够根据不同操作阶段的特点 采
取不同的控制策略 从而提高系统完成作业任务的
速度
#任务执行条件
我们把操作空间中 操作器相对于操作对象的
不同位置 划分为三个区域
#任务执行动作序列
半自主遥机器人 执行主控站的命令程序
检测执行状态 向主控站报告执行状态 遥机器人的
自由运动区 它由操作器趋近操作对象过程
中的大范围自由运动空间构成 操作器在这个区域
机
器
人
年 月
一般不会发生同操作对象的碰撞 对实际运动轨迹
的控制精度要求不高 因而允许以较快的速度连续
运动
度运行
准操作区) )离线编程
在准操作区 将虚拟机器人和遥机器人的动作
解耦 操作员针对虚拟机器人进行连续操作 并利用
预显示和碰撞检测技术 对已生成指令的运动轨迹
进行检验 如果不理想 能够取消并重新生成 直到
指令得到确认 才交付给遥机器人执行 机器人处于
力Ù位置混合控制方式 以较慢速度运行
准操作区 在这个区域中 操作器在小范围
内向操作对象逼近 可能发生同操作对象的碰撞 在
准操作区内 操作器的运动轨迹需要严格控制 对运
动速度的要求小于对避免碰撞的要求
操作区 它是操作器相对操作对象很近 往
往发生接触的一个小区域 操作器将在这个区域完
成操作作业 在这个区域 运动空间往往是有约束
的 除了对位置控制精度的要求 还包括对力控制精
度的要求 在操作区 意外!故障随时可能发生 操作
的安全性十分重要
操作区) )单步监控
操作员每次发送一条命令 命令中附加严格的
速度条件和结束条件 经过遥现 使操作员能准确判
断机器人的运行状态 机器人处于自主运行方式
3 2
实验系统的功能实现
在上述三个区域 根据操作器运动方式的不同
我们对每个区域内的运动采取不同的控制方式
自由运动区) )直接控制
系统从功能结构上主要分三个部分 人机接口
系统 通讯系统 和遥机器人系统 参见图 其中
人机接口系统实现操作员交互界面和程序自动生成
功能 通讯系统负责命令和操作环境反馈信息的传
输 遥机器人系统是一个基于动作级语言的半自主
机器人系统
在自由运动区 操作员连续控制虚拟机器人 系
统根据操作员的动作连续生成控制指令并发送给遥
机器人执行 从而实现虚拟机器人和遥机器人之间
的主从控制 遥机器人处于位置控制方式 以较快速
图
系统结构图
ƒ ≥ ∏
3 2 1
人机接口系统
碰撞检测 我们采用基于分层结构的包围盒
检测算法 实现了虚拟机器人和操作环境 包括操作
工件 之间的快速碰撞检测 碰撞检测的作用一方面
用以辅助操作员的操作 经过在碰撞时给出提示来
弥补操作员的观察准确性的不足 从而避免明显的
操作失误 另一方面在命令预显示过程中 对碰撞情
况报警 有助于对命令合理性的检验
虚拟环境的构造 ς ιρτυαλΕνϖιρονμ εντ
在虚拟环境中 我们构造了操作环境的几何模
型 包括操作台 !操作工件等 同时构造了遥机器人
的几何模型 由手控器给出机器人的关节或末端位
置 经过运动学计算驱动机器人的几何模型 从而实
现虚拟机器人的运动 在此基础上 我们的工作主要
包括以下内容
虚拟坐标 为了辅助操作员对操作方向进行
控制 防止操作员在视点漫游过程中 /迷失0 我们
构造了虚拟坐标等合成对象 能够根据需要随时给
出包括 世界坐标系 !工作坐标系 !机器人基坐标系
多种运动控制方式 在虚拟环境中 操作员
能够选择虚拟机器人的关节或者末端进行控制 从
而实现关节!末端两种控制方式
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和控制单元的局部坐标系在内的多种坐标系的坐标
轴
3 2 2通讯系统
我们基于 × ≤°Ù °协议 以客户Ù服务器模式建
立操作员控制站和遥机器人的通讯 通讯系统的主
要特点如下
语句自动生成 Αυτομ ατιχ Χομ μ ανδ Γ ενε− ρα−
τιον
系统根据特定时间段内虚拟机器人的起始和结
束状态 结合当前的运动控制状态 自动生成动作语
句 另外 我们经过附加的命令面板 使操作员能够
手工输入!编辑各种语句
实现逻辑上独立的两个信道 一个用于传输
控制命令和反馈状态报告 我们称之为命令信道 一
个用于传输操作现场的传感器信息 我们称之为数
据信道 两个信道的通信方式有所差异 命令信道传
输的特点是传输内容具有突发性 传输单元 °⁄
的长度不定 数据信道的传输具有连续性 且数据单
元长度相同 针对两个信道的不同特点 我们分别设
计了两套通信协议
语句的构成基于机器人实验室开发的 ≥ 动
作级语言 主要分为三类
动作语句 包括关节运动和末端运动两类
每一条动作语句的主体内容包括
#动作标识号
经过缓存技术 实现了命令的连续发送和接
收 根据直接控制方式和离线编程的需要 命令信道
需要能够连续地传输多条命令语句 而遥机器人只
能逐条接收命令语句执行 因而出现了遥机器人对
命令语句的执行速度和命令语句传输速度之间的匹
配同步问题 我们经过在命令的接收端设立缓存区
寄存连续接收的多条命令 遥机器人以管道的方式
读取缓存区中的命令
#动作参数 不同的动作拥有不同的参数结构
能够对动作语句附加约束条件
#速度约束条件
#力约束条件
参数语句 经过参数语句能够设置机器人的
运行速度!调整机器人的控制模式 位置控制模式和
力控制模式 以及向机器人发送监控事件
任务调用语句 经过调用预先开发好的任
务 操作员能够实现对机器人特定任务的监控
语句的预显示 Χομ μ ανδ Πρεϖιεω
3 2 3
遥机器人系统
遥机器人系统的功能主要有
命令解释器 将命令程序解释为控制指令
协调器 实现路径规划
我们根据遥机器人系统模型构造了机器人仿真
器 仿真器的主要功能包括 命令解释!轨迹规划!运
动学计算 经过仿真器 能够对已经生成的语句序列
进行预显示 预先显示能够在离线编程中实现对语
句轨迹的检验
控制执行器 实现关节空间或操作空间的力
Ù位置控制
误差检测 当识别出意外状态时自动停机
并向操作员控制站发送状态报告
操作现场的遥现 Ω ορκχελλΤελεπρεσενχε
我们假定在操作环境中 物体的几何形状保持
不变 只有位置和姿态变化 因此 我们根据来自操
作现场的机器人和操作对象的位姿信号 以图形的
方式重构操作环境 从而实现操作现场的视觉遥现
操作对象的位姿信号的获取经过计算机视觉目标定
位技术实现
当前 我们的遥机器人系统实现了基于事件反
馈的局部自主 关于局部自主系统的设计 具体可参
见文献≈
4
试验及结果 Εξπεριμ εντ ανδ ρεσυλτσ
4 1
系统硬件结构
实验的人机接口系统是基于微机平台实现的
多模式显示 Μυλτι−μ οδε Δισπλαψ
由 ° 和三维图形加速卡组成微机图形工作站
生成虚拟环境 由三维鼠标作为手控器 输入控制信
号 由 ∂ 头盔和 ƒ ≥× 头部定位跟踪系统作
为操作员观察虚拟环境并在虚拟环境中漫游的设
备
操作员界面采用切换方式实现不同的显示模
式 有三种显示模式 编程模式!任务预显示模式 和
操作现场遥现模式 在编程模式下 操作员控制虚拟
机器人进行连续运动 在预显示模式下 虚拟机器人
演示机械手的理想运动轨迹 在遥现模式 操作员可
以对操作现场进行监控 并在出现意外情况下进行
误差诊断
遥机器人系统主要由两台 ° 机械手!
一台 ⁄ 工控机和传感器组组成 ⁄
工控机是一个基于 ∂ ∞总线的多 ≤° 系统 我们
的配置是一块 ∂ ∞ 作为系统的主板 另有三
机
器
人
年 月
块 ∂ ∞ 目标控制板 三块目标板上都运行实
时操作系统 ≥ ≥ 传感器主要包括六维力传感器
和机械手本体的光电码盘!电位器
成的语句较多
离线编程的方式完成作业任务的时间较长
生成的语句较少
4 2
试验描述
混合控制方式在操作时间和语句数量上取
基于我们所实现的遥操作系统 我们进行了高
得折衷
精度遥操作试验 试验的目的是验证遥编程概念在
大试验遥操作中的有效性 试验内容主要有如下四
个方面
5
结论 Χονχλυσιον
根据国外的实验资料 以及我们的实验结果 可
以看到遥编程为大时延遥操作开辟了一条切实可行
的途径 遥编程技术具有广泛的应用前景 不但可用
于空间领域 而且能够用于深海作业 核工厂等危险
作业环境 虽然遥编程是针对大时延遥操作问题提
出来的 但在无时间延迟情况下 具有同传统遥控方
式相同的执行效果 能够应用于工厂自动化领域
我们将对遥编程技术进行深入的研究 解决其
实际操作中的深层问题 遥编程概念提出至今 仍有
许多关键技术问题需要深入研究 主要包括
误差检测!诊断和恢复
构造虚拟环境 虚拟环境是基于机器人实验
室中机械手的操作环境构造的 操作环境是完全结
构化的 可预先建模的 虚拟环境主要由工作台 !机
械手和工件组成 虚拟环境种除机械手和工件外 其
它物体都是静止不动的 虚拟环境中静止物体与真
实环境的误差 在操作之前得到校正
机器人自主试验 为了验证机器人系统本身
的控制性能和自主能力 我们单独进行了一系列的
机器人力Ù位置混合控制试验 包括 曲面跟踪!擦玻
璃!插圆孔 以及插方孔试验
基于视频信息的模型修正
通讯系统测试 为了模拟大时延 我们在通
信线路中人为设置了 秒的时间延迟 上行通路和
下行通路各有 秒延迟 通讯内容为遥操作指令和
传感器反馈信息 不包括视频信息 测试的内容是
通信的连续性 即测试通信所需带宽
遥操作试验 在前面的单项试验的基础上
我们进行了地面环境的大时延遥操作试验 试验的
内容是插方孔 其中 孔和插件的间隙配合精度为
∗
任务模型的描述
人机交互界面
符号命令程序的自动生成
遥机器人的智能结构
参考文献
Ρ εφερενχεσ
∏ ≥ ≥ ∏ ⁄ ° ≤
≤ × ⁄
⁄ ≥ × × 2
∞∞∞ × ∏ 9
为了验证不同的操作方式的效果 我们分别
进行了三种遥操作试验
≥ × ≥ × ∏ × ⁄ √
° ∞∞∞ × ∏
9
直接控制方式 操作员对虚拟机器人的控制
完全传递给遥机器人
离线编程方式 操作员针对虚拟机器人编
程 程序经过验证 !修改等过程 在适当时机发送给
遥机器人
≥ ≥ ≤ × 2
≥ ≥° ∞ ∂ × ∏ ×
× °
° ∏ × ≤ ≥ × ⁄ 2
√ × ° ∞∞∞Ù ≥ 2
≤ ≥ ∏
混合控制方式 在操作的不同阶段 根据需要
分别采用不同的控制方式
为了考察不同操作方式的时间效率和数据传输
效率 试验的指标
韦庆 李杰 基于事件反馈的机器人监控技术及在大时延遥操作
中的应用 空间机器人及遥科学技术研讨会
李杰 监控式多机器人协调控制技术的研究 博士论文 国防科
大 机电工程与自动化学院 年
完成操作的时间
完成操作的语句数量
作者简介
4 3
结果分析
李
焱 2 男 博士生 研究领域 机器人遥操作 虚
拟现实
我们在试验中 成功地完成了插方孔操作任务
三种不同的操作方式的结果比较
直接控制方式完成作业任务的时间短 但生
贺汉根 2 男 博导 研究领域 模式识别和智能系
统
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