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基于网络的机器人控制技术摘要随着网络技术的飞速发展，传统的机器人控制技术与先进的网络通讯技术不断融合，基于网络的机器人控制技术正在不断发展。机器人控制技术是一种是以自动化技术和计算机技术为主体、有机融合各种现代信息技术的系统集成和应用。本文介绍了国内外基于网络的机器人控制技术的研究现状，对其研发的技术特点和应用领域进行了着重分析，并对这一研究领域的发展方向进行了探讨。关键词:网络；机器人控制；自动化技术；计算机技术AbstractWiththefastdevelopmentoftheinternettechnology，theinteractionbetweenthetraditionalroboticsandtheadvancednetworktechnologieshasbecomeincreasinglyfar-reaching.Roboticsisasystemwithintegrationandapplication,whichmainlybasedonautomationandcomputertechnology,andtheorganicallyintegratingavarietyofmoderninformationtechnology.TheintentionofthispaperistoinvestigatethestatusanddevelopmentoftheWeb-basedroboticstechnologies.Inthefirstpartofthispaper,theconceptofWeb-basedroboticshasbeenintroduced.ThenitnotonlyanalysesthetechnicalkernelofWeb-basedrobotics9butalsoillustratestherelatedapplicationsinthisarea.omeresearchtopicsintheWeb-basedroboticsarealsoproposed.Keywords:Internet;web-basedrobotics;automationtechnology;computertechnology引言信息技术是当前高技术发展中的主流技术，它的发展对其它技术会产生极大的影响。机器人技术将借助信息技术而发展，及利用先进网络通讯技术发展网络机器人就是有说服力的例子，这两者的结合是必然的趋势[1]。随着网络技术的发展，网络技术已逐渐渗透到各个领域。基于网络的机器人控制就是利用网络实现远程的机器人控制。网络的传输速率，时间迟延，数据丢失等是基于网络的机器人控制所面临的问题。一些有效的处理方法和控制方案已经被应用到基于网络的机器人遥操作中[2]。互联网的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。基于网络的机器人控制技术也从初期的遥操作机器人的应用逐渐扩展到自主机器人和分布式机器人系统等研究领域。通过因特网对机器人实施实时控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。一、机器人控制技术的国内外研究现状基于网络的机器人的思想是由KenGoldberg于1994年春首先提出的。其最初的构想是给公众提供可通过万维网访问的遥控机器人，并支持用户对其实施远程操作。这一构想极大扩展了于50年前提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可通过TTP提供的低成本且能被广泛应用的接口来访问并共享远程资源[3]。KenGoldberg很快就将这一构想应用到MercuryProject中。这一计划是采用安装有CCD摄像头和气囊系统的工业机器手在装有沙子并埋有人造物的半圆形工作空间中实施发掘工作。MercuryProject是第一个基于万维网的机器人。在1994年8月到1995年3月间，过50，000主机访问过其在南加州大学的遥操作控制主页(http;//)。1995年MercuryProject被TelegardenProject所取代，计划中仍是采用装有CCD摄像头的机械手复合其它机构通过万维网给网络用户提供远程培植操作。几乎同期与KenGoldberg的MercuryProject向网络用户开放的遥操作机器人还有西澳大利亚大学KennethTaylor研发的安装有固定摄像头并具有六自由度的机械手臂，它支持网络用户在工作空间中实施用积木建造复杂建筑的操作。继KenGoldberg和KennethTaylor的开创性工作之后，越来越多的学者投入到基于网络的机器人技术[4]的研发工作中来。如NASA(美国航空航天局)的一些专家开始研究通过万维网对空间飞行器实施遥操作的可行性。1995年，Rovetta研制了一种远程医疗机器人系统。还有一些学者如SchulZ~Slotine~Tarn等对通过专线实现的遥操作理论如何应用到有不可预测时滞的因特网上进行了讨论。国内在基于网络的机器人控制技术领域的研究工作比较有限，其工作主要集中在通过因特网实现遥操作技术的研发，如中科院沈阳自动化所，华南理工大学等单位。此外还有一些学者致力于网络机器人所涉及的通讯技术的研究。国内一些高科技企业也对网络机器人应用于服务业和娱乐业的前景非常看好。基于网络的机器人远程控制技术不仅在传统的机器人遥操作领域中有着广泛的应用，随着因特网的迅猛发展，它在许多新兴领域中也有良好的应用前景，如应用于自主机器人系统，远程制造业，远程培训，分布式制造系统以及家用机器人和娱乐机器人等领域。下面就按照网络技术在机器人学中不同的应用方向及不同的技术侧重点，从基于因特网的遥操作技术，基于网络的自主移动机器人控制技术和基于中间件技术的分布式机器人系统几个方面来进一步讨论。二、几种机器人控制技术的介绍基于网络来控制机器人实现人类理想操作的技术有很多种，下面着重介绍遥操作和自主移动机器人两种技术。1、基于网络的遥操作技术遥操作系统允许操作者通过主从机器人来实现对远程设备的控制。它主要应用于空间技术，核废料的处理，显微外科，微电子装配，水下操作，采矿业及消防救援等方面。遥操作系统包括操作者、主设备、通讯通道、从机器人和远端环境。主机器人设备核心是力反馈操纵杆，而从机器人可为任意类型的设备。设计并安装于机器人上的双工控制器负责主从设备间的双向信息流传输。通讯媒介可采用因特网或无线技术。总体来说，双工控制器要被设计为稳定且透明的系统。所谓透明系统是一种理想情况，即操作者自身感觉不到主从设备之间距离的存在，操作者的感觉就如同对远程环境中的设备进行本地直接操作。当从机器人设备上的位置和力的变化可与反馈给操作者的位置和力的变化相匹配时，上述透明系统在技术上是可实现的。然而，由于通讯中的时滞和系统中存在的噪声及系统自身存在的不稳定因素，使实现稳定且透明的双工系统操作仍有困难。因此，设计在系统存在显著通讯延迟环境下的双工控制器更具实际意义。设计具有自适应性的双工控制器[5]是一种可行的方法。基于网络的机器人技术被提出后，首先被应用到遥操作领域。如前面提到的Mercuryrobot~Telerobot及Telegerden等都是给用户提供通过因特网对远程设备实施遥操作控制。这些系统在初期只能提供机器人工作环境的静止画面，有些系统如Telegerden也尝试使用CAD技术来回馈被控机械臂状态动画。当支持通过网络传输流式图像数据的网络摄像头技术出现后，现场环境的图像反馈变得易于实现。要使用户能远程控制机器人并完成一系列复杂动作，就需要使用更先进的技术来实现复杂且友好的用户界面。在这些工作中，MattheWR.Stein的网络交互绘画机器人PumaPaintProject十分引人注目。它允许任意因特网用户通过网络控制PUMA76O机械臂在远程实验室画布上完成绘画操作。用户界面提供了用Java设计的虚拟画布，并且系统通过不断的图像更新给用户提供及时的视觉反馈,使得没有任何专业知识的网络用户也可轻松实施操作。根据控制系统性能和技术的先进性,遥操作机器人[6]控制技术研究现状与发展可分为如下几个阶段：(1)手工闭环控制这是最早且研究最多的一种遥操作形式，其中操作者是手动闭环控制的核心部分。这一早期的遥操作技术主要应用于在危险环境下进行操作的设备中，如核工业设备，水下遥控操作设备和空间设备。但通讯的明显滞后、不稳定性和手动闭环控制是其主要缺点。(2)共享或监管控制这种控制机制的目的是使机器人或设备的控制可由本地控制回路和远程遥控操作者来共享。本地控制回路负责其基本功能的实现，远程遥控操作者主要负责系统的监控及对异常情况的处理。这一技术提高了操作者对设备的可操作性，避免了系统不稳定性问题。但昂贵的、为单一目的建设的操作站是其致命的缺点。通讯的专用性也限制了普通网络用户的访问，使得这一技术只能应用于固定的专业领域中。(3)基于万维网的遥操作机器人万维网遥控机器人这一概念还处于雏形阶段.它通过基于因特网的Web浏览器来控制远程机器人和设备。这就需要先进的网络监控机制来避免系统的不稳定并支持网络多用户访问。这一技术的提出开创了一个崭新的研究领域，使遥操作技术的应用走向网络化和全球化。2、基于网络的自主移动机器人控制技术使用万维网作为机器人远程控制的基础构架使得在仅使用标准-TML接口的情况下给网络用户提供访问变得易于实施。因此可应用网络技术进一步扩展自主移动机器人[7]的控制手段，使其控制不再受空间和地域的限制。国外在这一领域已经开展了深入研究，如CarnegieMellon大学研发的基于Web的办公室自主移动机器人Xavier和基于网络进行远程控制的博物馆导游机器人Minerva。这些机器人的特点是自身具有较高自主性，而网络技术又给异地操作者提供了进行远程控制的手段.基于网络的室内自主机器人控制采用事件驱动和任务控制的系统体系结构时,其自主性和基于网络的远程控制会得到更完美的结合。最初基于网络的移动机器人的自主性能有限，而且同一时间内只能向单一用户提供网络服务。瑞士联邦洛桑科技研究所的KheponTheWeb就是其中典型代表。用户可通过网络控制小型移动机器人在人造迷宫中进行运动并能同时经摄像头的图像反馈进行观察。CarnegieMellon大学研发的Xaiver是第一个可通过网络控制并运行于复杂办公环境的自主移动机器人。机器人可在线或离线接收请求命令并在运行时段内进行处理。Xaiver完成任务后会通过电邮件通知用户。Xaiver的网络界面使用了client-pull和server-push技术来获取图像[8]。此外Xaiver的用户界面还提供办公环境的地图并显示机器人在其上的位置。在更为复杂的动态环境(如博物馆)中，机器人在执行任务时会遇到大量不可预见事件。博物馆导游机器人Minerva除了要对网络用户进行在线响应，同时还要与博物馆中的游客进行现场人机交互，所以其任务规划要能够处理各种不可预测的突发事件。博物馆导游机器人要及时向用户提供各种反馈.由于使用了基于Javaapplet的技术[9]，其在低带宽情况下仍能按要求更新机器人状态。网络用户界面还提供机器人所带摄像头和安装于天花板上摄像头所传回的图像。使用多种方式的代理技术可支持多用户同时访问。实际应用中常要求网络用户同现场用户分享机器人的控制。网络能给异地用户提供远程现场再现,而现场用户则通过比网络更直接的方式控制机器人，这就要求混合控制的界面设计要避免两者相互干扰。提高被控机器人的自主性对实现实时远程控制具有重要意义。被控机器人本身具有的避障功能，对路径的自主规划和对多任务的决策能力，都有利于减少网络通讯中不可预测时滞对机器人控制实时性的影响。这一思想的实质是将属于远程控制的部分功能下放到控制系统本地来实现，远程的操作者只需对预先定义好的操作指令实施控制操作，或直接通过对运行于客户端的辅助软件的图形界面及命令菜单的点击来实施远程操作控制。这一方法降低了系统的复杂度，将各种简单的基本操作集成为高层次的复合动作，