网络化遥操作系统的简介

王林 白军影

摘要：随着科技的进步和发展，尤其是网络的壮大和进步，机器人的遥操作系统作为一门综合学科，也在不断发展。随着80 年代左右计算机技术的高速发展，计算机技术不断地逐步应用到遥操作系统中。计算机技术作为连接遥操作和其控制算法的关键纽带，使一些控制算法能够在这个平台上实现。随着数字化的到来，尽管在现在看来遥操作技术在研究领域中可以说已经取得了阶段性的成果，但是在未来更深层级的发展道路上依然还是任重道远，因此也存在着无穷的潜力和更廣阔的发展空间。

关键词：遥操作;网络化;数字化

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）04-0012-01

0 引言

进入20世纪以来，随着科学技术的快速发展进步，现代的科技也在日益进步，人们的活动的区域和研究的领变得越来越大，尤其是对未知领域探索的热度也是水涨船高。但与此同时，对于一些危险的环境，比如深海探测、核废料处理、远空探索、远程医疗等等[1]，传统的机械式设备已经很难满足人们的工作和探索的需求了。也正是由此原因，才会使得基于远距离操控原理的遥操作得到关注，同时也很好地解决了这个问题。

1 遥操作系统的源头

不得不说，遥操作系统的发展也经历了几个阶段。首先，在1945年，美国的Argonne国家实验室（ANL）研制了第一个机械手，而这第一个机械手的作用是解决原子能领域的有关核放射物体的抓取和对于核肥料的处理的相关问题[2]。随后过了几年，在1948 年，世界上第一个采用了两个完全对称的主从机械臂的方式构成的遥操作系统横空出世了，这时操作者已经可以对主机械臂进行控制，而从机械臂也可以跟随者主机械臂运动，进而去执行对人类有危险的任务。而随着时间的流逝，在1954年，Geortz经过不懈的努力终于研发出了第一个带有伺服反馈的机电遥操作系统，这个操作系统主要是为了对车辆进行控制，在当时这个系统真的改善了操作性能[3]。在那之后又基于动力学与运动学的角度有人使用并且引入了双边控制的方法，这个方法使得让人手利用操作杆来进行远距离操作的梦想成为了现实，这一进步在很大的程度上不仅仅是减轻了操作者的任务量，同时也减少了危险性。之后随着80年代的计算机技术的飞速发展，计算机技术也开始被人们重视研究并逐步应用到了遥操作的系统中，计算机技术也渐渐开始作为连接遥操作和其控制算法的纽带，使得一些控制算法能够在这个平台上实现并且付诸于实际应用。而这也使得遥操作系统的性能发生了根本性的本质变化，其应用领域也开始越来越广[4-5]。网络化遥操作系统也逐渐成为国际上的主流研究方向之一。

2 遥操作系统的构成

接下来先简单的介绍一下要操作系统的结构框架。如图1所示，正规的遥操作系统主要由五个部分组成。这五个组成部分分别为人类操作者（operator）、主机器人（master）、信息通讯网络（communication channel）、从机器人（slave）和外界环境（environment）。其中人类操作者即为人类可以控制的主力臂，可以由自己施加力的大小来控制和改变;主机器人又称为主力臂，即为主机械臂，即人手直接控制的。信息通讯网络即为传送主力臂与从力臂之前信息得中间枢纽，一般为网络，也因此会存在时延等不确定性因素。从机器人即为从机械臂，也就是人手远程控制的那个力臂，即为了完成特定任务存在于危险环境下的那个力臂。外界环境即为从力臂所处的特定环境，一般具有一定的危险性或者距离性，在特定场景和时间下人类无所直接或者间接接近的环境。

3 网络化遥操作的性能分析

接下来介绍一下网络化的一些优势和优点。应用网络化对遥操作系统进行控制，最显著的几个优点如下：①成本下降;②减少系统配线;③实验环境更加安全方便。与此同时，具有反馈控制通信网络的引入给网络化控制系统增加了许多新的挑战，尤其是使其分析和处理相关的问题变得更加的困难。因为数据在网络传输的过程中，会不可避免的出现时延的现象，这是网络化状态下难以避免的问题。

除此之外，在整个的遥操作系统控制过程中，有两个重要的指标：一是稳定性，二是透明性。其中稳定性是整个遥操作系统控制的前提，只有一个稳定的系统才能正常的工作。而透明性则是指的用户的操作体验。从端机械手臂可以准确的追踪主端机械手臂的运动轨迹，同时将从端的环境信息准确传递给用户，如果碰到了阻碍时用户是否可以感受到了相应的阻力，这种情况下可以是主端用户“身临其境”的感受到从机械臂的信息就是遥操作系统控制的另一个性能指标。但是，在实际真实的的情况下在遥操作系统的控制中，稳定性和透明性往往是不能兼得的。

4 采样系统的提出

为了解决上述出现的一些问题，将采样控制放入遥操作系统中成为了一种方案。这么做是由于采样控制系统是允许系统中连续信号和离散信号同时存在即共存的。因此，选择了采样控制系统，也就使得数学模型、分析和设计方法必会与传统的连续控制系统不同，也与传统的纯离散系统不同。在人们熟知的想法中，按照常规的纯离散系统和传统的常规的连续系统的设计方法设计的控制器固然不能满足采样控制系统的要求，这些种种的上述情况都加大了对采样控制系统研究的难度。数字设计方法是对采样系统在离散时域内运用离散控制理论对其进行分析和设计，与模拟设计方法不同，该方法将连续被控对象离散化，得到被控对象的近似模型，以离散化的被控对象为模型，设计离散控制器，利用了采样系统和离散闭环系统的性能近似性这一特点。

5 结语

随着信息化的不断发展和进步，相信会有越来越多的方案被提出来解决这些已存在的问题，本文也只是简单的介绍一下遥操作系统的大致概念和系统的构成，同时也稍微提了一下遥操作系统采样控制研究的一些内容，有兴趣的读者可以自行进行查阅。

参考文献

[1] Clement， G.， Vertut， J.， Fournier， R.， Espiau， B.， Andre， G.. An overview of CAT control in nuclear services[P].Robotics and Automation. Proceedings. 1985 IEEE International Conference on，1985.

[2] Yoon W K ， Goshozono T ， Kawabe H ， et al. Model-based space robot teleoperation of ETS-VII manipulator[J].IEEE Transactions on Robotics and Automation，2004，20（3）：602-612.

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

[4] 朱延河，赵杰，蔡鹤皋.一种新型双并联主操作手构型设计[J].机械设计，2003（08）：34-36.

[5] 史胜利.基于Internet的机器人遥操作系统关键技术研究[D].哈尔滨工程大学，2004.