網絡化遙操作系統的簡介

王林 白軍影

摘要：隨著科技的進步和發展，尤其是網絡的壯大和進步，機器人的遙操作系統作為一門綜合學科，也在不斷發展。隨著80 年代左右計算機技術的高速發展，計算機技術不斷地逐步應用到遙操作系統中。計算機技術作為連接遙操作和其控制算法的關鍵紐帶，使一些控制算法能夠在這個平臺上實現。隨著數字化的到來，盡管在現在看來遙操作技術在研究領域中可以說已經取得了階段性的成果，但是在未來更深層級的發展道路上依然還是任重道遠，因此也存在著無窮的潛力和更廣闊的發展空間。

關鍵詞：遙操作;網絡化;數字化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0012-01

0 引言

進入20世紀以來，隨著科學技術的快速發展進步，現代的科技也在日益進步，人們的活動的區域和研究的領變得越來越大，尤其是對未知領域探索的熱度也是水漲船高。但與此同時，對于一些危險的環境，比如深海探測、核廢料處理、遠空探索、遠程醫療等等[1]，傳統的機械式設備已經很難滿足人們的工作和探索的需求了。也正是由此原因，才會使得基于遠距離操控原理的遙操作得到關注，同時也很好地解決了這個問題。

1 遙操作系統的源頭

不得不說，遙操作系統的發展也經歷了幾個階段。首先，在1945年，美國的Argonne國家實驗室（ANL）研制了第一個機械手，而這第一個機械手的作用是解決原子能領域的有關核放射物體的抓取和對于核肥料的處理的相關問題[2]。隨后過了幾年，在1948 年，世界上第一個采用了兩個完全對稱的主從機械臂的方式構成的遙操作系統橫空出世了，這時操作者已經可以對主機械臂進行控制，而從機械臂也可以跟隨者主機械臂運動，進而去執行對人類有危險的任務。而隨著時間的流逝，在1954年，Geortz經過不懈的努力終于研發出了第一個帶有伺服反饋的機電遙操作系統，這個操作系統主要是為了對車輛進行控制，在當時這個系統真的改善了操作性能[3]。在那之后又基于動力學與運動學的角度有人使用并且引入了雙邊控制的方法，這個方法使得讓人手利用操作桿來進行遠距離操作的夢想成為了現實，這一進步在很大的程度上不僅僅是減輕了操作者的任務量，同時也減少了危險性。之后隨著80年代的計算機技術的飛速發展，計算機技術也開始被人們重視研究并逐步應用到了遙操作的系統中，計算機技術也漸漸開始作為連接遙操作和其控制算法的紐帶，使得一些控制算法能夠在這個平臺上實現并且付諸于實際應用。而這也使得遙操作系統的性能發生了根本性的本質變化，其應用領域也開始越來越廣[4-5]。網絡化遙操作系統也逐漸成為國際上的主流研究方向之一。

2 遙操作系統的構成

接下來先簡單的介紹一下要操作系統的結構框架。如圖1所示，正規的遙操作系統主要由五個部分組成。這五個組成部分分別為人類操作者（operator）、主機器人（master）、信息通訊網絡（communication channel）、從機器人（slave）和外界環境（environment）。其中人類操作者即為人類可以控制的主力臂，可以由自己施加力的大小來控制和改變;主機器人又稱為主力臂，即為主機械臂，即人手直接控制的。信息通訊網絡即為傳送主力臂與從力臂之前信息得中間樞紐，一般為網絡，也因此會存在時延等不確定性因素。從機器人即為從機械臂，也就是人手遠程控制的那個力臂，即為了完成特定任務存在于危險環境下的那個力臂。外界環境即為從力臂所處的特定環境，一般具有一定的危險性或者距離性，在特定場景和時間下人類無所直接或者間接接近的環境。

3 網絡化遙操作的性能分析

接下來介紹一下網絡化的一些優勢和優點。應用網絡化對遙操作系統進行控制，最顯著的幾個優點如下：①成本下降;②減少系統配線;③實驗環境更加安全方便。與此同時，具有反饋控制通信網絡的引入給網絡化控制系統增加了許多新的挑戰，尤其是使其分析和處理相關的問題變得更加的困難。因為數據在網絡傳輸的過程中，會不可避免的出現時延的現象，這是網絡化狀態下難以避免的問題。

除此之外，在整個的遙操作系統控制過程中，有兩個重要的指標：一是穩定性，二是透明性。其中穩定性是整個遙操作系統控制的前提，只有一個穩定的系統才能正常的工作。而透明性則是指的用戶的操作體驗。從端機械手臂可以準確的追蹤主端機械手臂的運動軌跡，同時將從端的環境信息準確傳遞給用戶，如果碰到了阻礙時用戶是否可以感受到了相應的阻力，這種情況下可以是主端用戶“身臨其境”的感受到從機械臂的信息就是遙操作系統控制的另一個性能指標。但是，在實際真實的的情況下在遙操作系統的控制中，穩定性和透明性往往是不能兼得的。

4 采樣系統的提出

為了解決上述出現的一些問題，將采樣控制放入遙操作系統中成為了一種方案。這么做是由于采樣控制系統是允許系統中連續信號和離散信號同時存在即共存的。因此，選擇了采樣控制系統，也就使得數學模型、分析和設計方法必會與傳統的連續控制系統不同，也與傳統的純離散系統不同。在人們熟知的想法中，按照常規的純離散系統和傳統的常規的連續系統的設計方法設計的控制器固然不能滿足采樣控制系統的要求，這些種種的上述情況都加大了對采樣控制系統研究的難度。數字設計方法是對采樣系統在離散時域內運用離散控制理論對其進行分析和設計，與模擬設計方法不同，該方法將連續被控對象離散化，得到被控對象的近似模型，以離散化的被控對象為模型，設計離散控制器，利用了采樣系統和離散閉環系統的性能近似性這一特點。

5 結語

隨著信息化的不斷發展和進步，相信會有越來越多的方案被提出來解決這些已存在的問題，本文也只是簡單的介紹一下遙操作系統的大致概念和系統的構成，同時也稍微提了一下遙操作系統采樣控制研究的一些內容，有興趣的讀者可以自行進行查閱。

參考文獻

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[3] Hokayem P F ， Spong M W . Bilateral teleoperation： An historical survey[M].Pergamon Press， Inc.2006.

[4] 朱延河，趙杰，蔡鶴皋.一種新型雙并聯主操作手構型設計[J].機械設計，2003（08）：34-36.

[5] 史勝利.基于Internet的機器人遙操作系統關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學，2004.