基于互联网的机器人遥操作系统平台的研究与设计

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1、南开大学博士学位论文基于互联网的机器人遥操作系统平台的研究与设计姓名：马宏鹏申请学位级别：博士专业：控制理论与控制工程指导教师：卢桂章2001.5.1AbstractKeywords：Internet，Robot，Teleoperation，Telepresence，AugmentedReality第一章绪论§1．1基于互联网的机器人遥操作系统平台研究的背景与意义随着人类认知领域和层次的不断深入和发展，人类在有毒和难以接近(核领域、深海、外层空间和高温高压等)环境中进行作业的必要性在不断增强，因此迫切需要开发出能够自动地适应环境变化的智能机器人。但是由于受到控制、机构、传感和人工智能等

2、技术水平的限制，要研制出在复杂未知或变化环境下的全自主式的智能机器人尚不可能‘79，“81，因此机器人领域一个新的重要分支一遥操作机器人便应运而生。所谓遥操作机器人是指在人的控制下能在人难以接近或对人有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统，目前主要分为两种形式，即主从式遥操作和监控式遥操作。主从式遥操作均有一个主臂和一个从臂，操作者用手直接操纵主臂，而从臂则跟随主臂运动来完成操纵任务；同时工作对象或环境对从臂的约束反力通过双向力反射系统实时地反馈到主臂上，使操作者对从臂部分的操作有一种力的感觉，这与用手直接操作物体或环境时的感觉相似．从而可完成较为精细的操作【1”】。由于主从

3、式遥操作控制方式在应用中存在作业效率低、通讯延迟易造成遥操作机器人系统不稳定等问题，因此Ferrell和Sheridan提出了监控操作的方法[99I，也就是把操作员推到监控级，通过在常规或紧急情况下不断地示教或重复编程来监控体现在远程操作器上的低级智能；执行级由位于远程端的机器人独立完成，处理反馈信息和作相对简单、常规的决策。在这两种方式的遥操作机器人中，人都是不可缺少的重要组成部分，人通过力觉、视觉等感觉对远端的工作情况及其周围环境保持直接或间接的联系，从而利用人的智能及时做出判断和决策，适应工作情况和环境的不确定性，随机应变地完成那些较为复杂的或事先难以预料的操作任务。五十多年来，

4、不少国家相继投入了很大力量从事遥操作机器人研究和研制工作，并已成功地应用于许多领域中，带来了巨大的社会和经济效益。互联网(Internet)始建于1969年，是美国国防部创办的一项工程(APPANET)，最早用于军事目的。八十年代初，用于异构网络的TCP／IP协议研制成功，此后美国加州Berkeley分校把该协议作为其BSDUNIX的一部分，使该协议得以流行，为Internet的发展提供了基础。1986年美国国家科学基金会(NSF)建立了5个用于研究的超大计算中心，并以此为基础建立了国家科学基金会网(NSn厄T)，以便在全国实现科研和教育资源共享。1991年5月，Internet三家业

5、务供应商PSI、GeneralAtomics和UUNET合作建立了CIX商用数据Internet交换网，开始了Internet的商业应用。1992年欧洲核子物理实验室(CERN)第一章绪论公布了www(WorldWideWeb)，www界面美观，使用方便，功能强大，它的出现极大地推动了Internet的商业化进程，1993年美国政府提出了通过Internet向全国推行EDI电子商务计划。1994年美国一家老牌在线服务公司AOL(AmericanOnLine)出资3500万美元买了一家Internet的接入商ANS，其它一些在线信息服务网络，如Compuserve、Prodigy也都意识

6、到了Internet的战略价值，纷纷向Internet转移。1995年Internet在全世界得到了迅速发展，众多的计算机公司投入了相当多的资金加强Internet的开发和利用。目前Internet已经覆盖了150多个国家，连接的网络多达6万多个，主机达400多万台，终端用户约为1亿多台并以每月15％的速度增长，平均1个小时就有100台主机加入到Internet，可以说Internet是目前世界上最大的计算机网络，也是当今全球信息高速公路的主干网，它涵盖当今世界上几乎所有行业、门类的信息，是聚集全人类越来越多的信息、知识和智慧的信息资源网，它不但使人类信息交流和传播的历史发生了重大转折

7、，而且将给人类文明进程带来深远的影响114”。由于互联网的通用性、交互性和经济性，故伴随着互联网的飞速发展，以互联网作为通讯媒介的遥操作技术也正成为机器人领域中的一个重要的前沿课题，受到许多西方发达国家的高度重视。目前国外已经在Internet上进行了许多异地遥操作的实验，如澳大利亚Western大学研制的世界上第一个对公众开放的遥操作机器人，用户可通过Internet远程控制它来摆设基于x、Y、z坐标系的一些积木块1加拿大RyersonPol