機(jī)器人遙操作技術(shù)

1、 機(jī)器人遙操作技術(shù)介紹一下機(jī)器人遙操作的產(chǎn)生背景實(shí)驗(yàn)室遙操作的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)外遙操作的基本情況翻譯一篇關(guān)于多機(jī)器人之間通信的論文,摘自IEEEROBIO2004一.機(jī)器人遙操作系統(tǒng)產(chǎn)生的背景機(jī)器人遙操作產(chǎn)生的背景:機(jī)器人遙操作是指操作人員監(jiān)視和控制遠(yuǎn)方機(jī)器人完成各種作業(yè)，從而使機(jī)器人能夠代替人類在一些無法觸及的、甚至一些危及人類健康或生命安全的環(huán)境下完成各種任務(wù)根據(jù)位置和力的反饋調(diào)整手抓力的大小和手的位置建立連接：建立連接(根據(jù)位置和力的反饋調(diào)整視野的范圍可通過鍵盤微小移指令手指觸覺感知并調(diào)整握力正在抓對(duì)象正在抓對(duì)象A視覺顯示出的手抓狀態(tài)對(duì)象對(duì)象A虛擬頭盔被抓對(duì)象A二.實(shí)驗(yàn)室關(guān)于遙操作的簡(jiǎn)介無線局

2、域網(wǎng)無線局域網(wǎng) 遙操作命令遙操作命令反饋信息反饋信息通信、視覺通信、視覺計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)機(jī)器人本體控制機(jī)器人本體控制計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)MemoryLinkBuilt in robotWireless Lan Motion commandSensor DataCommunications CPUControl CPUMemoryLinkBuilt in robotInput UnitKeyboardJoints motion dataImage of Scene and locationFeedbackControl PCHumanoid RobotWireless PC CardWireless Rou

3、teManipulatorMicrophone日本的仿人形機(jī)器人遙操作系統(tǒng)日本的仿人形機(jī)器人遙操作系統(tǒng) 關(guān)于多機(jī)器人之間的通訊 摘要:通信在多機(jī)器人系統(tǒng)中起著非常重要的作用,自從高效而且相對(duì)低代價(jià)的無線局域的出現(xiàn),將其運(yùn)用于多機(jī)器人的無線通信中已經(jīng)成為實(shí)際的方法.無論如何,在一個(gè)有多個(gè)機(jī)器人的大系統(tǒng)中,為所有的機(jī)器人在同一時(shí)刻交互信息已經(jīng)變得困難,因?yàn)橥ㄐ诺哪芰κ怯邢薜?在這個(gè)情況下,就需要有一個(gè)有效的而且高可靠性的通信網(wǎng)絡(luò)。這篇論文提出一些無線通信方案和他們的應(yīng)用。最后，得出一個(gè)結(jié)論在這個(gè)領(lǐng)域。1.介 紹 商業(yè)機(jī)器是首次被PLANNET公司1959年介紹的，它們是可以編程的機(jī)器，通過小的開關(guān)

4、和凸輪和做一些簡(jiǎn)單的拿和放的工作。在70年代早期，商業(yè)的機(jī)器人的基于數(shù)字計(jì)算機(jī)的控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在80年代，機(jī)器人中已經(jīng)引入了大量的多計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)。在80年代后期，當(dāng)很多研究人員開始在多運(yùn)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中研究時(shí)，分布式的機(jī)器開始出現(xiàn)了它的雛形。 自從人們開始研究分布式多機(jī)器人群體之間的通信已經(jīng)被廣泛的研究，為了在一群機(jī)器人之間成功的控制和使其協(xié)同，主要依賴于機(jī)器人內(nèi)部的有效的通信。一些研究人員已經(jīng)開始研究多機(jī)器人在各種不同的任務(wù)中如何執(zhí)行，而且已經(jīng)總結(jié)出這種通信在特定的任務(wù)中所有的優(yōu)點(diǎn)。另外，這些研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在許多情形下，即使通信中的少量的信息都是很有用處的。在這篇論文中，討論多機(jī)器人通信

5、領(lǐng)域中的一些通信方法和協(xié)議。在文章中提到了一些操作是估計(jì)一個(gè)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。將各種通信方法分類對(duì)設(shè)計(jì)多機(jī)器人通信系統(tǒng)有用的。在多機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)中的一些通信方法，如何，估計(jì)代價(jià)，無線網(wǎng)絡(luò)分層模型和能量最優(yōu)化協(xié)議。第三部分討論和比較了現(xiàn)存的通信方法。第四部分舉了一些應(yīng)用的例子。最后，在第五部分給出文章的要點(diǎn)總結(jié)和一些未來的工作。2.多機(jī)器人通信網(wǎng)絡(luò)代價(jià)估計(jì)代價(jià)估計(jì)為了確保多機(jī)器有效的可靠的協(xié)作，多機(jī)器人通信系統(tǒng)必須保證以下的要求：低的反應(yīng)時(shí)間：為了支持在代理之間的實(shí)時(shí)，最關(guān)鍵的是通信系統(tǒng)有能力在低的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)發(fā)送消息。靈活性：由于多機(jī)器人隊(duì)伍多是頻繁被組建的，所以重要的是新的設(shè)備能容易的組合。通信模

6、型也可以完成隊(duì)伍的模型。容錯(cuò)性：為了達(dá)到可靠的和有效的操作，通信系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤和恢復(fù)這是很重要的。而且單個(gè)模型的損壞不會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。B無線網(wǎng)絡(luò)和分層模型自從高效的低代價(jià)的無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，將其應(yīng)用于控制多機(jī)器人上已經(jīng)很普遍了。有三種傳輸技術(shù)：紅外線，窄帶微波，和展布頻譜技術(shù)，每一種技術(shù)都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。紅外線局域網(wǎng)通過紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。主要的缺點(diǎn)是很容易被阻隔，因?yàn)楣獠ㄊ遣荒軌蛲ㄟ^固體的。窄帶微波的主要缺點(diǎn)是所用的頻帶需要有通信委員會(huì)許可。展布頻譜技術(shù)是一種被廣范應(yīng)用的技術(shù)。有三種主要的方法來發(fā)送一個(gè)信號(hào)光譜：（跳頻技術(shù)FHSS），通過快速的開關(guān)運(yùn)送都的頻率。直接序列展頻技術(shù)

7、（DSSS）通過偽隨機(jī)二元序列來達(dá)到同樣的效果，還有一種混合式的展頻技術(shù)。In the early robot wireless communications, infrared technology was applied in a large scale 8,9 because of its low cost. But infrared systems have poor communication rate and quality. Therefore, radio frequency (RF) and spread spectrum technologies are more pref

8、erred in the design of multirobot communication. Robots can communicate with others by RF point-to-point link or broadcasting mechanism 10. The spread spectrum modulation technologies are extensively applied at the Industrial Scientific Medical (ISM) band (2.4GHz), which is license-free in many coun

9、tries 11.Multirobot wireless networks provide the networking infrastructure to support the quality of service (QoS) needs (bandwidth, latency and reliability) of robot communications. They must support: quick reconfiguration (802.11, token ring), mobility management (mobile IP, AODV), service levela

10、greement (SLA) management, and QoS (mobile Internet Protocol). Figure 1 gives the layered model (OSI based model and TCP/IP based model) of multirobot wireless networking.在早期的機(jī)器人無線通信當(dāng)中，紅外技術(shù)被廣泛的應(yīng)用，由于它的低廉的成本，但是由于紅外系統(tǒng)低的傳輸率和質(zhì)量。因此，（無線電頻率RF）和（展布頻譜技術(shù)）在設(shè)計(jì)多機(jī)器人通信系統(tǒng)中多為首選。機(jī)器人可以和其它機(jī)器人之間通信通過（無線電頻率RF）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接或者是廣播機(jī)制

11、。展布頻譜模型技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于ISM，這個(gè)是在多個(gè)國(guó)家被許可的 多機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)提代了一種基礎(chǔ)設(shè)施來支持服務(wù)質(zhì)量（關(guān)于機(jī)器人通信的帶寬、反應(yīng)時(shí)間和可靠性QOS）。它們必須支持：快帶的重新配置（802.11，TOKEN RING），靈活性的管理（變動(dòng)IP，自組網(wǎng)AODV），（服務(wù)器質(zhì)協(xié)議SLA）管理，質(zhì)量服務(wù)（移動(dòng)互聯(lián)協(xié)議）。圖1給出了分層模形（OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型TCP/IP基礎(chǔ)模型）關(guān)于多機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)。 在多機(jī)器人互相協(xié)作的系統(tǒng)中，通信在它們之間起著非常關(guān)鍵的重。每一個(gè)機(jī)器人能需要互相交換自己從傳感器收集到的信息和其它機(jī)器人協(xié)商自身的任務(wù)時(shí)間。，這些機(jī)器人的通信是隨機(jī)的通過機(jī)器人

12、的無線通訊而被執(zhí)行。C能量最優(yōu)化協(xié)議選擇一個(gè)合適的通訊協(xié)議對(duì)于多機(jī)器之間協(xié)作也是十分重要的。通常來說，在多機(jī)器人系統(tǒng)中所用的通信協(xié)議，遵循OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）和TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）參考模型，包括IEEE802.11，TCP/IP或UDP/IP，HTTP，CSMA/CD（載波偵聽多址接入/碰撞檢測(cè)協(xié)議）或CSMA/CA（載波監(jiān)聽多路訪問/沖突防止），TDMA，TOKEN RING或TOKEN BUS。他們之間的關(guān)系在表一中。由于大多數(shù)的機(jī)器是主要用的是電池的能量，因此使它們所耗能量最小化有著重要的意義。下面，我們討論在MAC（介質(zhì)訪問控制）層，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的協(xié)議。

13、MAC層主要的功能是提供控制，信道的分配，還有鄰居列表的管理。它也完成能量控制確保能量的節(jié)省。低能量分布MAC設(shè)計(jì)的主要原則包括避免撞突，減少協(xié)議之間的OVERHEAD，和在空閑時(shí)間能量關(guān)閉。研究人員已經(jīng)開發(fā)了一些能量觀測(cè)的MAC協(xié)議：載波偵聽多路復(fù)用（CSMA），頻分復(fù)用（TDMA）和電氣和電子工程師協(xié)會(huì)的802.11規(guī)則手則。CSMA/CD(帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取)或CSMA/CA（帶有避免沖突的載波偵聽多路存取）是一種廣泛被應(yīng)用在多機(jī)器人通信系統(tǒng)中的協(xié)議。它對(duì)在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù) 據(jù)傳輸有著重要的影響，特別是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為忙時(shí)。在CSMA/CD(帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)

14、想發(fā)磅數(shù)據(jù)時(shí)，它必須首先訪問傳輸媒體和感知信道是否空閑。如果信道正在忙的話，這個(gè)節(jié)點(diǎn)就等待和經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間再次檢查信道的狀態(tài)。如果信道是空閑的，那么節(jié)點(diǎn)開始傳輸它的數(shù)據(jù)。圖2描述了CSMA/CD(帶有沖突檢測(cè)的載波偵聽多路存取)管理數(shù)據(jù)流避免和檢測(cè)沖突。TDMA（頻分復(fù)用）協(xié)議已經(jīng)被提議來減少能量在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。為了減少任務(wù)周期，這些協(xié)議可以為反應(yīng)時(shí)間處理空閑時(shí)間的能量消耗。無論如何，沖突 。IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)是一種被廣泛應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它構(gòu)成了OSI開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型的第二層的低的部分，和第一層物理層。它指定了兩仲裁方案，被應(yīng)用于兩種可選的周期。一個(gè)方案是基于CSMA和允許

15、沖突發(fā)生在媒介的，別一個(gè)仲裁方案是排除在媒介中的沖突。當(dāng)無線數(shù)據(jù)傳輸在一個(gè)低的速率上,結(jié)論依就存在。能量的保存應(yīng)該被認(rèn)為不只是在MAC，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，而且也在應(yīng)用層。未來的工作需要在多層網(wǎng)絡(luò)中有綜合能量保存的想法。3、多機(jī)器人通信方法和相關(guān)的工作在一組無線網(wǎng)絡(luò)所組成的機(jī)器人當(dāng)中，成功的控制和協(xié)作依賴于有效的內(nèi)部機(jī)器人之間的通信。多機(jī)器人通信方法應(yīng)該無關(guān)于不可預(yù)料和高動(dòng)態(tài)性的環(huán)境。下面，我們將討論和進(jìn)行比較。l內(nèi)在和外在的通信在合作代理間的通信被認(rèn)為不是內(nèi)部的就是外部的方法。外部的通信被定義為是一種明確的按設(shè)計(jì)動(dòng)作單獨(dú)去傳遞信息給這個(gè)小組的其它機(jī)器人。相關(guān)的例子在一些論文中可以找到1415。另

16、一個(gè)方面，內(nèi)部的通信作為機(jī)器人動(dòng)作的 ，或是通過這種方式它們改變環(huán)境。被多種復(fù)雜的機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)中使用的技術(shù)是外在的通信。Easton和Martinoli提出了三種通信方案，兩個(gè)是基于內(nèi)部方式的通信（機(jī)械的互相作用和視覺）還有一種是基于外部的通信模式（紅外信號(hào)）。它們模擬了三種通信方案表明了外在的通信要優(yōu)于內(nèi)部的通信方案。不幸的是，當(dāng)于移動(dòng)代理密度的增加，通信帶寬變得越來越擁擠，需要小心的設(shè)計(jì)協(xié)議。事實(shí)上，內(nèi)部的通信協(xié)議提供了一些直接的優(yōu)點(diǎn)優(yōu)于外部的通信.，由于外部通信需要一事實(shí)上的信道寬度和基站。Pagello al和Pereiraet al.表明了盡管組織一個(gè)機(jī)器人隊(duì)伍，當(dāng)部?jī)?nèi)部方案可用時(shí)

17、，外部通信并不是關(guān)鍵。另一個(gè)例是由StiwellTt和Bishop19，使用內(nèi)部通信可以減少外部通信所用的數(shù)量 B全局和局部的通信在機(jī)器人之間的通信可以被分為局部的和全局的形式。全局通信，就是每一個(gè)代理和其它的通信時(shí)，在早期的只包括不多的機(jī)器人的時(shí)侯就被利用。近來，Das et al.介紹一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)?shù)氐膮f(xié)作允許每一個(gè)機(jī)器人去估計(jì)它的相對(duì)的關(guān)于它的鄰友的位置和方向，因此通過全局通信形成信息。然后，全局的通信也有其自身的缺點(diǎn)：（a）當(dāng)一個(gè)通信媒介被分配給多個(gè)機(jī)器人時(shí)，其效率就會(huì)變低，就像是廣播網(wǎng)絡(luò)。（b）如果是中央管理在系統(tǒng)中的通信時(shí)，增加負(fù)載會(huì)引起通信的瓶頸和不充分容錯(cuò)（fault-toler

18、ance）。由于前述的原因，局部通信也就是每一個(gè)機(jī)器人從有限的幾個(gè)機(jī)器人上接收和發(fā)送信息在一個(gè)有限的范圍內(nèi)，已經(jīng)被頻繁的應(yīng)用于目前的研究。Eiichi et al比較了局部的和全局的通信，通過單位時(shí)間內(nèi)信息的傳輸量就像在索引23中用的，他給出了如下的結(jié)果：（a）當(dāng)多個(gè)機(jī)器人傳輸信息給相對(duì)少的機(jī)器人時(shí)，局部的通信是有效的；(b)當(dāng)一些機(jī)器人傳輸信息到相對(duì)多的機(jī)器人時(shí)，全局通信是有效的。因此，Kume和Rizzi綜合了全局通信和局部通信在小型的工廠里，那里局部通信是使代理執(zhí)行實(shí)行協(xié)作的主要方法，然而全局通信是局部通信方法的補(bǔ)充，在交換滯后的一些數(shù)據(jù)時(shí)。C.同步和異步的通信還有一種多機(jī)器人通信方法的

19、分類：同步和異步。同步機(jī)制是一種使用阻塞技術(shù)來控制數(shù)據(jù)流。在這種情況下，當(dāng)發(fā)送消息時(shí)，發(fā)送端一直處于掛起狀態(tài)直到接收到目的端的確認(rèn)信息。阻塞技術(shù)是一種常被使用來命令/反應(yīng)信號(hào)。 阻塞技術(shù)有它自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。由于在同步方式下在一個(gè)給定的時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)消息存在，擴(kuò)展信息隊(duì)列在源端或目的端并不是必需的，可以容易的實(shí)現(xiàn)。無論如何，阻塞技術(shù)由于它限制并行處理所是不是充分有效的。當(dāng)處理一條消息時(shí)，它必須等待直到全部的消息被發(fā)送出還有被目的端確認(rèn)。因此，同步方式協(xié)議適應(yīng)于緊固的分布式的環(huán)境，但是非常限制在松的環(huán)境。 對(duì)比于同步通信方式，異步機(jī)制的發(fā)送過程不必等待接收到確認(rèn)的消息。最簡(jiǎn)單的異步模式用戶機(jī)/

20、服務(wù)器交互也就是對(duì)話，用戶要求的服務(wù)都是服務(wù)器先給予的。這里有兩種服務(wù)：自帶尋址信息的,獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源行走到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)包和虛擬回路。自帶尋址信息的,獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源行走到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的服務(wù)是無連接的，它的消息發(fā)送不能保證是按照正常順序，可靠的和不重復(fù)的。因此，有時(shí)被稱為“面向處理的”通信，由于每一個(gè)自帶尋址信息的獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源行走到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)包描繪了一個(gè)完整的和獨(dú)立的轉(zhuǎn)輸。不同于自帶尋址信息的獨(dú)立地從數(shù)據(jù)源行走到終點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，虛電路服務(wù)維持有網(wǎng)絡(luò)連接直到用戶決定終止傳輸。因此，經(jīng)們有時(shí)被稱為“端對(duì)端”或者“面向連接的”。異步的通信應(yīng)用可以在25中看到。在異步的通信中，程序的延遲在傳輸消息過程中的

21、確認(rèn)并不是必需的。無論如何，這個(gè)可能要求消息傳輸。而且，異步通信傾向于比同步通信要求高標(biāo)準(zhǔn)，編碼復(fù)雜。（如，用戶必須預(yù)期在從源端到目的端傳輸過程中的阻塞的可能性）。因此，同步方法比異步方法在多機(jī)器人通信系統(tǒng)中更為通用。多機(jī)器人通信的應(yīng)用在發(fā)展多機(jī)器人系統(tǒng)一個(gè)重要的推動(dòng)力是，其潛在的可以減少人類在危險(xiǎn)應(yīng)用中的出現(xiàn)。由于低的代價(jià)解決方案和有效的協(xié)作，無線通信提供在多機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)中。在下面的應(yīng)用中，它被應(yīng)用于改善一個(gè)多機(jī)器人系統(tǒng)的健壯性和可量測(cè)性。無人的工具無人駕駛的空間車和無人的水下車作為一種可行的和有效的可選擇的工具在空間和海洋監(jiān)視中。這些隊(duì)體必須在遙遠(yuǎn)的地方不用或者很少用基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施，因此無人駕駛

22、的自治的（UAV和UMV）隊(duì)伍需要專門的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 救援和防御操作機(jī)器人隊(duì)伍可以在災(zāi)難防御（如地震營(yíng)救或核電廠事故）中扮影重要的作用。機(jī)器人足球比賽 在28，不同類型的機(jī)器足球玩家參加了不同的正式的機(jī)器人足球比賽，例如，（國(guó)際機(jī)器人足球聯(lián)合會(huì)）FIRA杯，CENDORI和SOCCERBOT應(yīng)用基于802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)設(shè)備。4總結(jié)和未來的工作為了確保多機(jī)器人隊(duì)伍有效的可靠的協(xié)作，在機(jī)器人之間合適的通信是十分必需的。在一些問題上已經(jīng)取得一切進(jìn)步，例如設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，相互通信的協(xié)議。一個(gè)合適的通信系統(tǒng)可以通信如下的幾點(diǎn)評(píng)價(jià)：低的反應(yīng)時(shí)間，靈活性和容錯(cuò)性。如上所述，目前在多機(jī)器人通信上的工作

23、被集中在表述的語言和基礎(chǔ)上。另外，工作已經(jīng)延伸在多機(jī)器人通信中的容錯(cuò)，如建立和維護(hù)分布式的通信網(wǎng)絡(luò)和確保通信的可靠性。在這個(gè)問題上，Wei-Min et sl,指出了一個(gè)重要的方面，測(cè)試在模型之間通信適應(yīng)性，重新配置機(jī)器人。在這些系統(tǒng)中的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何維持通信，曾致在機(jī)器人之間動(dòng)態(tài)的和非預(yù)期的改變連接。展頻 (Spread Spectrum) 展頻技術(shù)主要又分為跳頻技術(shù)及直接序列兩種方式。而此兩種技術(shù)是在第二次世界大戰(zhàn)中軍隊(duì)所使用的技術(shù)，其目的是希望在惡劣的戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境中，依然能保持通信信號(hào)的穩(wěn)定性及保密性。對(duì)于一個(gè)非特定的接受器，Spread Spectrum所產(chǎn)生的跳動(dòng)訊號(hào)對(duì)它而言，只算是脈沖噪聲。因此對(duì)整體而言是一種較具安全性的通訊技術(shù)。跳頻技術(shù) (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)跳頻技術(shù) (Frequency-H