网络机器人遥操作系统设计与实现

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1、万方数据文章编号：1008-05701：2008)10-2--0211-03网络机器人遥操作系统设计与实现7"heresearchanddesignoftheNetworkbasedteleoperationsystem(1．深圳大学管理学院；2．中国科学院沈阳自动化研究所)王庆鹏1谈大龙2WANGQing·-pengTANDa·-long摘要：本文在分析了网络环境下机器人遥操作系统的结构的基础上．介绍了一套基于网络的移动机器人遥操作实验系统的设备组成及硬软件结构的设计和实现。系统设计简洁有效。网络虚拟机的设计和使用则极大地方便了遥操作研究的开展。关键词：延迟：Internet；遥操作中图分

2、类号：TP24文献标识码：BAbstract：Inthispaper，basedontheanalysisofthemaincomponentofInternetbasedteleoperation．AnInternet—basedteleoperationsystemisdesignedandresearched．Thehardwarestructureofthesysytemisalsoprovidedtogetherwithitssoftwaredesign．Thede·signandimplementofthenetworksimulatormakethesystemmoresimp

3、leandefficent．Keywords：Time--delay；Internet；Teleoperation1引言目前，网络环境下机器人控制尤其是基于Intemet的机器人(Internet_basedtelerobot)遥操作技术是机器人研究领域中一个重要的前沿课题，受到各国重视。由于计算机网络尤其是Internet的特殊性，网络时延及服务质量(QOS—qualitvofse卜vice)对网络环境下机器人控制的效果有很大的影响。而构造一套完整的网络机器人试验环境则是研究的前提条件，本文介绍了一套基于网络的移动机器人遥操作实验系统的设备组成及硬软件系统机构的设计和实现。网络环境下机器人

4、遥操作系统把操作者一端(主端)到机器人一端(从端)的信息流向称为前向，相反方向称为反向。系统中反向流动的信息主要是声音、图像等多媒体信息和力、力矩、位置等传感器信息。另一方面，系统中前向传输的信息主要是主端的控制指令，数据包一般在几十Byte左右，采样周期一般为几十毫秒。网络时延的存在使得控制指令无法以一个固定频率到达从端，从而会导致整个系统失去同步关系。为了对这样复杂的问题深入地进行研究，本文介绍一套完整的机器人遥操作系统的设计和实现结果。2基于网络的机器人遥操作实验系统2．1系统设备组成基于网络的移动机器人遥操作实验系统如图l所示。主要包括：移动机器人(机器人本体是全方位移动机器人『61

5、。其运动机构由三个正交轮系构成，具有全方位移动、完整性约束的运动学特征，装有超声传感器、激光全局．定位、红外全局定位等设备，通过无线网络与主控站或以太网上任意计算机通讯)、主控站(一台Pc，接入以太网)、无线通讯局域网(移动机器人上安装的无线网适配器和一个以太网无线接人点设备组成。无线接入点设备将该无线局域网无缝接入实验窄以太网络，移动机王庆鹏：讲师博士基金项目：湖北省数字制造重点实验室开放基金．湖北省数字制造重点实验室颁发(sz0603)器人和以太网上任何一台计算机之间可实现点对点、点对多点的通讯)、网络虚拟机(一台PC。和Internet相连，模拟局域网、广域网、Intemet各种距离条

6、件下的遥操作环境)、传感信息服务器(一台PC，连接两台摄像机)、主端控制器(一台PC，连接Mi—crosoft力反馈游戏杆)。图l基于网络的机器人遥操作实验系统设备组成2．2主端控制器本系统使用的主端控制器是Microsoft公司出产的力反馈游戏杆。游戏杆具备x、Y和转动三个自由度，游戏杆上的力效果通过底座内的电机在杆体上实现，Windows系统下借助Di—r{ectx技术实现力反馈功能。2．3网络虚拟机系统中的网络虚拟机的作用是模拟各种网络情况。在一般的网络遥操作研究系统中，为了满足“遥”这一距离限制，通常采用两种办法：其一是把主从两端安置在不同地点。这样做的缺点是不利于实验的进行，成本高

7、；其二是将主从系统安置在同一地点，建立时延的仿真模型并以计算机模拟两者之间网络传输时延。然而网络时延的特殊性决定了仿真模型的精度不会很高，对网络时延的模拟真实度是无法保障的。本系统对上述第二种方法进行了改进，利用ICMP反射功能构造了网络虚拟机，使经过此虚拟机的数据具备真实的Internet任意距离范嗣的传输特性。下面以机器人数据传输过程解释网络虚拟机原理(参见图2)：假设要进行距离为lOOkm的遥操作实验，