基于Internet的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控工業(yè)機器人

在先進(jìn)制造系統(tǒng)中基于Internet的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控的工業(yè)機器人摘要在分散的制造環(huán)境中，遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測是至關(guān)重要的。今天的需要維持高生產(chǎn)率和靈活性的分布式車間的響應(yīng)能力就是很好的證明。然而，由于缺乏一個集成了遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測及控制的自動化設(shè)備的有效的系統(tǒng)架構(gòu)，這就需要進(jìn)行太多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和時間延遲等方面的考慮。本文提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)和傳感器驅(qū)動的體系結(jié)構(gòu)，它可以保證不失真的傳送控制信息和減少本地虛擬機器人和遠(yuǎn)程機器人行動之間的時間差，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。為了證明和驗證建筑設(shè)計，一種3自由度慧魚工業(yè)機器人的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控系統(tǒng)目前已經(jīng)很發(fā)達(dá)了。實驗結(jié)果是令人鼓舞的，它展示了一種先進(jìn)的智能化領(lǐng)域的應(yīng)用制造環(huán)境。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程機器人、先進(jìn)制造系統(tǒng)1.引言小批量產(chǎn)品種類繁多的分布式制造車間是全球企業(yè)和外包的小到中型企業(yè)的典型特點。為了保持競爭力，他們需求的動態(tài)的控制和實時監(jiān)控功能來響應(yīng)和適應(yīng)快速變化的日常生產(chǎn)生活，為了達(dá)到最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和最高的生產(chǎn)效率，分布式制造與網(wǎng)絡(luò)化制造相結(jié)合的出現(xiàn)使其變成現(xiàn)實。自1993互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后不久，大量解決在分布式制造中存在的問題的方法和架構(gòu)已經(jīng)被提出。然而，他們中的大多數(shù)是用于開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計，快速原型設(shè)計，與項目管理。例如，webcadet用于分布式設(shè)計支持，CyberCut用于基于網(wǎng)絡(luò)的快速加工，和negotiationlens用于解決沖突。遺憾的是，今天的大多數(shù)制造設(shè)備沒有內(nèi)置的傳輸能力和接收數(shù)據(jù)。幾個可用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是專門用于遠(yuǎn)程實時監(jiān)控?；ヂ?lián)網(wǎng)上的時間延遲是可變的和不可預(yù)知的，一個直接的遠(yuǎn)程控制設(shè)計方案能夠使用戶精確控制機器人或其他設(shè)施的行為是很不容易的，特別是對那些需要精確的動作來完成的一些任務(wù)，如分布式制造，遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程實施等?；ヂ?lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程控制方案在文獻(xiàn)中提出過，但控制系統(tǒng)目前還沒有實時監(jiān)測和行動的特點。在一個典型的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測系統(tǒng)中，以機器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測為例，用戶可以在任何可以連接到互聯(lián)網(wǎng)的地方，通過瀏覽器控制真正的機器人。他們可以在遠(yuǎn)程站點從反饋控制的機器人的狀態(tài)信息來監(jiān)控機器人的運動；此外，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)上虛擬的機器人的仿真模擬可以很容易掌握遠(yuǎn)程控制機器人的方法。但在基于Internet的遠(yuǎn)程操作中，控制流和反饋流通過TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)讓，這不具有實時同步問題性能。在互聯(lián)網(wǎng)上的時間延遲可以改變控制和反饋信息，從而使整個遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，我們提出了一個基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與控制架構(gòu)，這在分布式制造中具有重要的意義。因為在eManufacturing它很容易概括其他應(yīng)用程序，在本文中，我們利用實時遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控的工擬機器人的行為并不能反映當(dāng)時的機器人的真實行為，然后當(dāng)時的操作者將失去對遠(yuǎn)程機器人的狀態(tài)的認(rèn)識。3.實時機器人控制體系結(jié)構(gòu)與監(jiān)測工業(yè)機器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在圖1中有一些不良的特征。第一，空采樣和多采樣，如圖2所示，控制信息失真的LED顯示如圖3所示；第二是虛擬機器人和遠(yuǎn)程機器人動作之間的時間差。因此，可以擺脫這些問題的架構(gòu)是必要的。首先，我們要解決的第一個問題。圖4顯示了改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，同時控制流重構(gòu)模塊的信息也被介紹；它有兩個子模塊：樣品清單和控制流構(gòu)造函數(shù)。我們不只是在利用隊列，因為我們需要在列表中使用兩次元素。該模塊可以處理在空采樣和多采樣的情況下的原始輸入控制信息，重建控制信號并送入網(wǎng)絡(luò)運營商的網(wǎng)站，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時延TD1后由遠(yuǎn)程站點接收；FD并根據(jù)時間戳將其存儲在樣品清單中。在緩沖時間TD2后，樣品的列表清單必須包含一個具體的控制信息的樣本，其數(shù)目足可以進(jìn)行一個事件，這樣即便機器人停止等待控制信息的輸入，也可以避免對遠(yuǎn)程機器人或機器人周圍的人造成損傷。圖4基于Internet的遠(yuǎn)程機器人的控制與監(jiān)測方案控制流構(gòu)造函數(shù)在每個采樣時間t周期內(nèi)從樣品列表取出一個樣品重構(gòu)控制信號。如果一些數(shù)據(jù)包丟失，該構(gòu)造函數(shù)將使用最近使用的數(shù)據(jù)包來填充它?？丶墓δ苄畔⒘鞯闹亟ǎ鐖D5所示，當(dāng)TD=TD1+TD2時。因此，工業(yè)機器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先解決的的問題，這是當(dāng)?shù)氐目刂菩畔⒈晦D(zhuǎn)移到一個遠(yuǎn)程站點通過互聯(lián)網(wǎng)和不是扭曲的，盡管有延遲時間td。TD可以導(dǎo)致本地虛擬機器人和行動之間的時間差遠(yuǎn)程機器人；這個動作時間的差異也許可以累積到無法忍受的程度，所以我們必須嘗試為了進(jìn)一步提高控制結(jié)構(gòu)。信號強度mm時間/s信號強度mm時間/sa信號強度mm時間/s信號強度mm時間/sb信號強度mm時間/s信號強度mm時間/sc圖5a輸入控制流b通過互聯(lián)網(wǎng)的扭曲的控制流c改進(jìn)后的控制流操作者希望真正的機器人像虛擬機器人一樣能幾乎在同一時間執(zhí)行在一個特定的動作。體系結(jié)構(gòu)如圖4所示可以處理網(wǎng)絡(luò)引起的空采樣和多采樣時間延遲，保證真正的機器人像虛擬機器人一樣做同樣的動作。但它也有一個問題，因為網(wǎng)絡(luò)延遲時間td的積累，真正的機器人和模擬機器人之間的時間差會不斷增加。在一個具體的行動中，真正的機器人執(zhí)行動作滯后虛擬機器人越來越長，在幾個時間點上，控制虛擬機器人的行動將不能反映真正的機器人的行動。為了解決這個問題，我們對遠(yuǎn)程機器人的控制和監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，如圖6所示。圖6改進(jìn)的遠(yuǎn)程機器人的控制與監(jiān)測方案進(jìn)一步改進(jìn)的架構(gòu)方案保證了真正的機器人與虛擬機器人在任何特定的時間點做同樣的動作。作為重建的控制信號重新送入機器人來執(zhí)行，給對應(yīng)的控制信號的控制包增加一個時間戳進(jìn)去，時間戳是控制包執(zhí)行的時間，這個控制包的控制數(shù)據(jù)是不必要的反饋；它可由能描述這個控制包的信息來替換，需要找到這個信息包并在本地站點和它相比較。這個信息是B（I），為了節(jié)省帶寬，它是結(jié)合傳感器的信息，如視覺，激光，聲納遙感信息來傳遞回本地站點。反饋信息的解釋器認(rèn)可這個控制包BD（i），當(dāng)遠(yuǎn)程機器人執(zhí)行控制包的控制信息時，它包括時間戳。時間戳減去時間戳F（i）是在F時間（i）被發(fā)送，這導(dǎo)致T。這是V–R差調(diào)節(jié)器模塊的功能，其調(diào)節(jié)器包括一個隊列包含F(xiàn)（i），F(xiàn)（I+1），F(xiàn)（I+2），F(xiàn)（……）。減法的結(jié)果可以控制虛擬機器人的動作，使它在任何時間點像真正的機器人一樣做相同的動作。T=Tb（i）?TF（i）是延遲，當(dāng)F（J）上的隊列被送入一個虛擬機器人時的動作。4.原型系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)一個建立基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)如圖6所示的原型是實現(xiàn)為用戶提供基于互聯(lián)網(wǎng)和傳感器驅(qū)動的直觀的環(huán)境的實時監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，而不是相機圖像，感興趣的物理設(shè)備，如機器人或機器設(shè)備，可通過一個基于場景圖OpenGL的三維模型來表示。三維模型是由本地的CPU和可以在遠(yuǎn)程工作的顯示在客戶端的可視化的真實行為來繪制。它仍然存在，通過低量的傳感器數(shù)據(jù)和消息傳遞用戶控制命令與物理設(shè)備進(jìn)行連接。三維模型從不同的角度為用戶提供可視化的靈活的圖案，就像漫步或飛行是不可能的通過使用固定的光學(xué)相機的進(jìn)行設(shè)置是一樣的道理。默認(rèn)情況下，虛擬三維機器人提供給了遠(yuǎn)程操作的遠(yuǎn)程車間的機器人的運動狀態(tài)。但每當(dāng)需要它時，現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)就緒的攝像機可以很容易地切換至遠(yuǎn)程以捕獲不可預(yù)知的真實場景。可在很大程度上減少網(wǎng)絡(luò)流量，同時保證機制為分散的用戶進(jìn)行實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制?？刂坪捅O(jiān)測我們的原型界面如圖7所示圖7兩個畫面的實時操作和監(jiān)控工業(yè)機器人總結(jié)起來，原型系統(tǒng)的特點如下：（1）使用交互式的傳感器驅(qū)動，基于OpenGL的三維模型場景圖，而不是消耗帶寬攝像機圖像的視覺監(jiān)測；（2）僅發(fā)送控制命令和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實時虛擬模型和真正的機器人之間的操作和監(jiān)控；（3）為遠(yuǎn)程用戶提供不同的方法來監(jiān)測的虛擬機器人的運動，讓用戶知道機器人的運動狀態(tài)。5.實驗結(jié)果3自由度慧魚工業(yè)機器人是個模型，就像圖7中的圖片一樣。在我們的控制實驗中，機器人是通過移動對象及軌跡預(yù)先設(shè)定來進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的?？刂撇蓸宇l率信號是20赫茲，位于昆明的網(wǎng)絡(luò)代理被使用，本地/遠(yuǎn)程站點則位于廣州，因此，本地/遠(yuǎn)程站點之間的邏輯距離約2000公里，在虛擬機器人與機器人之間的動作的差異和時間的差異如圖8所示。圖8動作時間差和行為差異比較。A，B性能的典型架構(gòu)。C，D性能提出的控制架構(gòu)結(jié)果表明，與我們的提出的控制架構(gòu)相比，虛擬機器人和機器人之間的行為的差異隨時間差的減少而減少。圖9顯示了一些真正的機器人，它證明了我們的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和適用性。圖93自由度慧魚工業(yè)機器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)6.結(jié)論遠(yuǎn)程監(jiān)控在分散制造環(huán)境中是至關(guān)重要的，需要維持高生產(chǎn)率和靈活性的分布式車間是很好的證明。在本文中，進(jìn)行了實時、同步遠(yuǎn)程控制體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析，它對網(wǎng)絡(luò)時延不敏感，可以解決因網(wǎng)絡(luò)