機器人遙操作技術(shù)

1、 機器人遙操作技術(shù)介紹一下機器人遙操作的產(chǎn)生背景實驗室遙操作的發(fā)展現(xiàn)狀國外遙操作的基本情況翻譯一篇關(guān)于多機器人之間通信的論文,摘自IEEEROBIO2004一.機器人遙操作系統(tǒng)產(chǎn)生的背景機器人遙操作產(chǎn)生的背景:機器人遙操作是指操作人員監(jiān)視和控制遠方機器人完成各種作業(yè)，從而使機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)整握力正在抓對象正在抓對象A視覺顯示出的手抓狀態(tài)對象對象A虛擬頭盔被抓對象A二.實驗室關(guān)于遙操作的簡介無線局

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、視覺計算機計算機機器人本體控制機器人本體控制計算機計算機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日本的仿人形機器人遙操作系統(tǒng)日本的仿人形機器人遙操作系統(tǒng) 關(guān)于多機器人之間的通訊 摘要:通信在多機器人系統(tǒng)中起著非常重要的作用,自從高效而且相對低代價的無線局域的出現(xiàn),將其運用于多機器人的無線通信中已經(jīng)成為實際的方法.無論如何,在一個有多個機器人的大系統(tǒng)中,為所有的機器人在同一時刻交互信息已經(jīng)變得困難,因為通信的能力是有限的.在這個情況下,就需要有一個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用。最后，得出一個結(jié)論在這個領(lǐng)域。1.介 紹 商業(yè)機器是首次被PLANNET公司1959年介紹的，它們是可以編程的機器，通過小的開關(guān)

4、和凸輪和做一些簡單的拿和放的工作。在70年代早期，商業(yè)的機器人的基于數(shù)字計算機的控制器已經(jīng)實現(xiàn)，在80年代，機器人中已經(jīng)引入了大量的多計算機的結(jié)構(gòu)。在80年代后期，當很多研究人員開始在多運動機器人系統(tǒng)中研究時，分布式的機器開始出現(xiàn)了它的雛形。 自從人們開始研究分布式多機器人群體之間的通信已經(jīng)被廣泛的研究，為了在一群機器人之間成功的控制和使其協(xié)同，主要依賴于機器人內(nèi)部的有效的通信。一些研究人員已經(jīng)開始研究多機器人在各種不同的任務中如何執(zhí)行，而且已經(jīng)總結(jié)出這種通信在特定的任務中所有的優(yōu)點。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一個通信系統(tǒng)的標準。將各種通信方法分類對設(shè)計多機器人通信系統(tǒng)有用的。在多機器人系統(tǒng)當中的一些通信方法，如何，估計代價，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用的例子。最后，在第五部分給出文章的要點總結(jié)和一些未來的工作。2.多機器人通信網(wǎng)絡(luò)代價估計代價估計為了確保多機器有效的可靠的協(xié)作，多機器人通信系統(tǒng)必須保證以下的要求：低的反應時間：為了支持在代理之間的實時，最關(guān)鍵的是通信系統(tǒng)有能力在低的反應時間內(nèi)發(fā)送消息。靈活性：由于多機器人隊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、型也可以完成隊伍的模型。容錯性：為了達到可靠的和有效的操作，通信系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)錯誤和恢復這是很重要的。而且單個模型的損壞不會使整個系統(tǒng)癱瘓。B無線網(wǎng)絡(luò)和分層模型自從高效的低代價的無線局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，將其應用于控制多機器人上已經(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)點和缺點。紅外線局域網(wǎng)通過紅外線來傳輸數(shù)據(jù)。主要的缺點是很容易被阻隔，因為光波是不能夠通過固體的。窄帶微波的主要缺點是所用的頻帶需要有通信委員會許可。展布頻譜技術(shù)是一種被廣范應用的技術(shù)。有三種主要的方法來發(fā)送一個信號光譜：（跳頻技術(shù)FHSS），通過快速的開關(guān)運送都的頻率。直接序列展頻技術(shù)

7、（DSSS）通過偽隨機二元序列來達到同樣的效果，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.在早期的機器人無線通信當中，紅外技術(shù)被廣泛的應用，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)計多機器人通信系統(tǒng)中多為首選。機器人可以和其它機器人之間通信通過（無線電頻率RF）點對點的連接或者是廣播機制

11、。展布頻譜模型技術(shù)被廣泛的應用于ISM，這個是在多個國家被許可的 多機器人無線網(wǎng)絡(luò)提代了一種基礎(chǔ)設(shè)施來支持服務質(zhì)量（關(guān)于機器人通信的帶寬、反應時間和可靠性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IP，自組網(wǎng)AODV），（服務器質(zhì)協(xié)議SLA）管理，質(zhì)量服務（移動互聯(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)于多機器人無線網(wǎng)絡(luò)。 在多機器人互相協(xié)作的系統(tǒng)中，通信在它們之間起著非常關(guān)鍵的重。每一個機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器人協(xié)商自身的任務時間。，這些機器人的通信是隨機的通過機器人

12、的無線通訊而被執(zhí)行。C能量最優(yōu)化協(xié)議選擇一個合適的通訊協(xié)議對于多機器之間協(xié)作也是十分重要的。通常來說，在多機器人系統(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，和在空閑時間能量關(guān)閉。研究人員已經(jīng)開發(fā)了一些能量觀測的MAC協(xié)議：載波偵聽多路復用（CSMA），頻分復用（TDMA）和電氣和電子工程師協(xié)會的802.11規(guī)則手則。CSMA/CD(帶有沖突檢測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?。┦且环N廣泛被應用在多機器人通信系統(tǒng)中的協(xié)議。它對在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù) 據(jù)傳輸有著重要的影響，特別是當網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為忙時。在CSMA/CD(帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取)，當一個節(jié)點

14、想發(fā)磅數(shù)據(jù)時，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，這個節(jié)點就等待和經(jīng)過一個隨機的時間再次檢查信道的狀態(tài)。如果信道是空閑的，那么節(jié)點開始傳輸它的數(shù)據(jù)。圖2描述了CSMA/CD(帶有沖突檢測的載波偵聽多路存取)管理數(shù)據(jù)流避免和檢測沖突。TDMA（頻分復用）協(xié)議已經(jīng)被提議來減少能量在傳感器網(wǎng)絡(luò)中。為了減少任務周期，這些協(xié)議可以為反應時間處理空閑時間的能量消耗。無論如何，沖突 。IEEE802.11標準是一種被廣泛應用的無線網(wǎng)絡(luò)標準，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，被應用于兩種可選的周期。一個方案是基于CSMA和允許

15、沖突發(fā)生在媒介的，別一個仲裁方案是排除在媒介中的沖突。當無線數(shù)據(jù)傳輸在一個低的速率上,結(jié)論依就存在。能量的保存應該被認為不只是在MAC，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，而且也在應用層。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)所組成的機器人當中，成功的控制和協(xié)作依賴于有效的內(nèi)部機器人之間的通信。多機器人通信方法應該無關(guān)于不可預料和高動態(tài)性的環(huán)境。下面，我們將討論和進行比較。l內(nèi)在和外在的通信在合作代理間的通信被認為不是內(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)計動作單獨去傳遞信息給這個小組的其它機器人。相關(guān)的例子在一些論文中可以找到1415。另

16、一個方面，內(nèi)部的通信作為機器人動作的 ，或是通過這種方式它們改變環(huán)境。被多種復雜的機器人協(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，兩個是基于內(nèi)部方式的通信（機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）。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，當于移動代理密度的增加，通信帶寬變得越來越擁擠，需要小心的設(shè)計協(xié)議。事實上，內(nèi)部的通信協(xié)議提供了一些直接的優(yōu)點優(yōu)于外部的通信.，由于外部通信需要一事實上的信道寬度和基站。Pagello al和Pereiraet al.表明了盡管組織一個機器人隊伍，當部內(nèi)部方案可用時

17、，外部通信并不是關(guān)鍵。另一個例是由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，就是每一個代理和其它的通信時，在早期的只包括不多的機器人的時侯就被利用。近來，Das et al.介紹一個網(wǎng)絡(luò)，當?shù)氐膮f(xié)作允許每一個機器人去估計它的相對的關(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：（a）當一個通信媒介被分配給多個機器人時，其效率就會變低，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，增加負載會引起通信的瓶頸和不充分容錯（fault-toler

18、ance）。由于前述的原因，局部通信也就是每一個機器人從有限的幾個機器人上接收和發(fā)送信息在一個有限的范圍內(nèi)，已經(jīng)被頻繁的應用于目前的研究。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）當多個機器人傳輸信息給相對少的機器人時，局部的通信是有效的；(b)當一些機器人傳輸信息到相對多的機器人時，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)行實行協(xié)作的主要方法，然而全局通信是局部通信方法的補充，在交換滯后的一些數(shù)據(jù)時。C.同步和異步的通信還有一種多機器人通信方法的

19、分類：同步和異步。同步機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，當發(fā)送消息時，發(fā)送端一直處于掛起狀態(tài)直到接收到目的端的確認信息。阻塞技術(shù)是一種常被使用來命令/反應信號。 阻塞技術(shù)有它自身的優(yōu)點和缺點。由于在同步方式下在一個給定的時間內(nèi)只能有一個消息存在，擴展信息隊列在源端或目的端并不是必需的，可以容易的實現(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。當處理一條消息時，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。因此，同步方式協(xié)議適應于緊固的分布式的環(huán)境，但是非常限制在松的環(huán)境。 對比于同步通信方式，異步機制的發(fā)送過程不必等待接收到確認的消息。最簡單的異步模式用戶機/

20、服務器交互也就是對話，用戶要求的服務都是服務器先給予的。這里有兩種服務：自帶尋址信息的,獨立地從數(shù)據(jù)源行走到終點的數(shù)據(jù)包和虛擬回路。自帶尋址信息的,獨立地從數(shù)據(jù)源行走到終點的數(shù)據(jù)包的服務是無連接的，它的消息發(fā)送不能保證是按照正常順序，可靠的和不重復的。因此，有時被稱為“面向處理的”通信，由于每一個自帶尋址信息的獨立地從數(shù)據(jù)源行走到終點的數(shù)據(jù)包描繪了一個完整的和獨立的轉(zhuǎn)輸。不同于自帶尋址信息的獨立地從數(shù)據(jù)源行走到終點的數(shù)據(jù)包，虛電路服務維持有網(wǎng)絡(luò)連接直到用戶決定終止傳輸。因此，經(jīng)們有時被稱為“端對端”或者“面向連接的”。異步的通信應用可以在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、確認并不是必需的。無論如何，這個可能要求消息傳輸。而且，異步通信傾向于比同步通信要求高標準，編碼復雜。（如，用戶必須預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器人通信系統(tǒng)中更為通用。多機器人通信的應用在發(fā)展多機器人系統(tǒng)一個重要的推動力是，其潛在的可以減少人類在危險應用中的出現(xiàn)。由于低的代價解決方案和有效的協(xié)作，無線通信提供在多機器人網(wǎng)絡(luò)中。在下面的應用中，它被應用于改善一個多機器人系統(tǒng)的健壯性和可量測性。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。這些隊體必須在遙遠的地方不用或者很少用基礎(chǔ)設(shè)計施，因此無人駕駛

22、的自治的（UAV和UMV）隊伍需要專門的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 救援和防御操作機器人隊伍可以在災難防御（如地震營救或核電廠事故）中扮影重要的作用。機器人足球比賽 在28，不同類型的機器足球玩家參加了不同的正式的機器人足球比賽，例如，（國際機器人足球聯(lián)合會）FIRA杯，CENDORI和SOCCERBOT應用基于802.11標準的無線局域網(wǎng)設(shè)備。4總結(jié)和未來的工作為了確保多機器人隊伍有效的可靠的協(xié)作，在機器人之間合適的通信是十分必需的。在一些問題上已經(jīng)取得一切進步，例如設(shè)計結(jié)構(gòu)，相互通信的協(xié)議。一個合適的通信系統(tǒng)可以通信如下的幾點評價：低的反應時間，靈活性和容錯性。如上所述，目前在多機器人通信上的工作

23、被集中在表述的語言和基礎(chǔ)上。另外，工作已經(jīng)延伸在多機器人通信中的容錯，如建立和維護分布式的通信網(wǎng)絡(luò)和確保通信的可靠性。在這個問題上，Wei-Min et sl,指出了一個重要的方面，測試在模型之間通信適應性，重新配置機器人。在這些系統(tǒng)中的一個挑戰(zhàn)是如何維持通信，曾致在機器人之間動態(tài)的和非預期的改變連接。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)中軍隊所使用的技術(shù)，其目的是希望在惡劣的戰(zhàn)爭環(huán)境中，依然能保持通信信號的穩(wěn)定性及保密性。對于一個非特定的接受器，Spread Spectrum所產(chǎn)生的跳動訊號對它而言，只算是脈沖噪聲。因此對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