機(jī)器人論文報告

1、基于網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人控制技術(shù)1=作者:摘要隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制技術(shù)與先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)不斷 融合，基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)正在不斷發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)是一種是以 自動化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合各種現(xiàn)代信息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng) 用。本文介紹了國內(nèi)外基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對其研發(fā)的技 術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了著重分析，并對這一研究領(lǐng)域的發(fā)展方向進(jìn)行了探 討。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；機(jī)器人控制；自動化技術(shù)；計算機(jī)技術(shù)AbstractWith the fast development of the internet technology ， the interaction

2、between the traditional robotics and the adv anced network technologies has become increasingly far-reachin g. Robotics is a system with integration and application,whi ch mainly based on automation and computer technology,and th e organically integrating a variety of modern information te chnology.

3、The intention of this paper is to investigate the status and development of the Web-based robotics technologies . In the first part of this paper, the concept of Web-bas ed robotics has been introduced. Then it not only analysesthe technical kernel of Web-based robotics9 but also illus trates the re

4、lated applications in this area. ome research topics in the Web-based robotics are also proposed.Keywords: Internet; web-based robotics; automation technology; computer technology目錄 TOC o 1-5 h z 引言4機(jī)器人控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀5幾種機(jī)器人控制技術(shù)的介紹6分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)8機(jī)器人控制技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用10一些硬件電路的設(shè)計10結(jié)束語15參考資料15引言 信息技術(shù)是當(dāng)前高技術(shù)發(fā)展中的主流技術(shù)，它

5、的發(fā)展對其它技術(shù)會產(chǎn)生極大的 影響。機(jī)器人技術(shù)將借助信息技術(shù)而發(fā)展，及利用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)發(fā)展網(wǎng)絡(luò) 機(jī)器人就是有說服力的例子，這兩者的結(jié)合是必然的趨勢。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā) 展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已逐漸滲透到各個領(lǐng)域。基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制就是利用網(wǎng)絡(luò)實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程的機(jī)器人控制。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率，時間遲延，數(shù)據(jù)丟失等是基于網(wǎng)絡(luò)的 機(jī)器人控制所面臨的問題。一些有效的處理方法和控制方案已經(jīng)被應(yīng)用到基于 網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遙操作中?；ヂ?lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)器人控 制領(lǐng)域的應(yīng)用?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)也從初期的遙操作機(jī)器人的應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到自主機(jī) 器人和分布式機(jī)器人系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。通過因特網(wǎng)對機(jī)器人實(shí)施實(shí)時控制是

6、一 項具有挑戰(zhàn)性的工作，這一技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富機(jī)器人遠(yuǎn)程控制手段，具 有良好的發(fā)展趨勢和廣闊的應(yīng)用前景。IntroductionInformation technology is the mainstream in the development of high technology, its development will produce great impact on other technology. Will develop with the help of information technology and robot technology, and using advanc

7、ed network communication technology development network robot is persuasive example, the combination of the two is the inevitable trend. With the development of network technology, network technology has gradually penetrated into all fields. Robot control based on network is to use the network to re

8、alize remote robot control. Network transmission rate, time delay, data loss, etc are based on the robot control problems of the network. Some effective treatment method and the control scheme has been applied to the robot teleoperation based on network. The rapid development of the Internet to furt

9、her promote the application of the network technology in the field of robot control. Network-based robot teleoperation robot control technology is also from the initial application gradually expanded to autonomous robots and researches, such as distributed robotic system. Through the Internet for ro

10、bot real time control is a challenging work, the application of this technology will further enrich the robot remote control means, has good development trend and broad application prospects.一、機(jī)器人控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人的思想是由Ken Goldberg于1994年春首先提出的。其最初的構(gòu)想是給公眾提供可通過萬維網(wǎng)訪問的遙控機(jī)器人，并支持用戶對其 實(shí)施遠(yuǎn)程操作。這一構(gòu)想極大擴(kuò)展了于50

11、年前提出的遙操作概念，它使得全 球的網(wǎng)絡(luò)用戶都可通過TTP提供的低成本且能被廣泛應(yīng)用的接口來訪問并共 享遠(yuǎn)程資源3。Ken Goldberg 很快就將這一構(gòu)想應(yīng)用到 Mercury Project中。這一計劃是采用安裝有CCD攝像頭和氣囊系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器手在裝有沙子并埋有人造物的半圓形工作空間中實(shí)施發(fā)掘工 作。Mercury Project是第一個基于萬維網(wǎng)的機(jī)器人。在1994年8月到 1995年3月間，過50，000主機(jī)訪問過其在南加州大學(xué)的遙操作控制主 頁 (http; / / WWW. uSc. edu/dept/raiderS/ ) 。1995 年Mercury Project 被Tel

12、egarden Project 所取代，計劃中仍是采用裝有 CCD攝像頭的機(jī)械手復(fù)合其它機(jī)構(gòu)通過萬維網(wǎng)給網(wǎng)絡(luò)用戶提供遠(yuǎn)程培植操 作。一幾乎同期與Ken Goldberg 的Mercury Project向網(wǎng)絡(luò)用戶開放的遙操作機(jī) 器人還有西澳大利亞大學(xué)Kenneth Taylor研發(fā)的安裝有固定攝像頭并具有 六自由度的機(jī)械手臂，它支持網(wǎng)絡(luò)用戶在工作空間中實(shí)施用積木建造復(fù)雜建 筑的操作。繼Ken Goldberg 和Kenneth Taylor 的開創(chuàng)性工作之后，越來 越多的學(xué)者投入到基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人技術(shù)4的研發(fā)工作中來。如NASA(美國航 空航天局)的一些專家開始研究通過萬維網(wǎng)對空間飛行器實(shí)施遙

13、操作的可行性。 1995年，Rovetta 研制了一種遠(yuǎn)程醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)。還有一些學(xué)者如 SchulZSlotine Tarn等對通過專線實(shí)現(xiàn)的遙操作理論如何應(yīng)用到有不可 預(yù)測時滯的因特網(wǎng)上進(jìn)行了討論。國內(nèi)在基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域的研究工作比較有限，其工作主要集中 在通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遙操作技術(shù)的研發(fā)，如中科院沈陽自動化所，華南理工大學(xué) 等單位。此外還有一些學(xué)者致力于網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人所涉及的通訊技術(shù)的研究。國內(nèi) 一些高科技企業(yè)也對網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人應(yīng)用于服務(wù)業(yè)和娛樂業(yè)的前景非?？春谩；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的機(jī)器人遙操作領(lǐng)域中有著廣泛的 應(yīng)用，隨著因特網(wǎng)的迅猛發(fā)展，它在許多新興領(lǐng)域中也有良好

14、的應(yīng)用前景，如 應(yīng)用于自主機(jī)器人系統(tǒng)，遠(yuǎn)程制造業(yè)，遠(yuǎn)程培訓(xùn)，分布式制造系統(tǒng)以及家用機(jī)器人和娛樂機(jī)器人等領(lǐng)域。下面就按照網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)器人學(xué)中不同的應(yīng)用方 向及不同的技術(shù)側(cè)重點(diǎn)，從基于因特網(wǎng)的遙操作技術(shù)，基于網(wǎng)絡(luò)的自主移動機(jī) 器人控制技術(shù)和基于中間件技術(shù)的分布式機(jī)器人系統(tǒng)幾個方面來進(jìn)一步討 論。二、幾種機(jī)器人控制技術(shù)的介紹基于網(wǎng)絡(luò)來控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人類理想操作的技術(shù)有很多種，下面著重介紹遙操 作和自主移動機(jī)器人兩種技術(shù)。1、基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作技術(shù)遙操作系統(tǒng)允許操作者通過主從機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的控制。它主要應(yīng)用 于空間技術(shù)，核廢料的處理，顯微外科，微電子裝配，水下操作，采礦業(yè)及消 防救援等方面。遙操

15、作系統(tǒng)包括操作者、主設(shè)備、通訊通道、從機(jī)器人和遠(yuǎn)端環(huán)境。主機(jī)器人 設(shè)備核心是力反饋操縱桿，而從機(jī)器人可為任意類型的設(shè)備。設(shè)計并安裝于機(jī) 器人上的雙工控制器負(fù)責(zé)主從設(shè)備間的雙向信息流傳輸。通訊媒介可采用因特 網(wǎng)或無線技術(shù)。總體來說，雙工控制器要被設(shè)計為穩(wěn)定且透明的系統(tǒng)。所謂透 明系統(tǒng)是一種理想情況，即操作者自身感覺不到主從設(shè)備之間距離的存在，操 作者的感覺就如同對遠(yuǎn)程環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行本地直接操作。當(dāng)從機(jī)器人設(shè)備上 的位置和力的變化可與反饋給操作者的位置和力的變化相匹配時，上述透明系 統(tǒng)在技術(shù)上是可實(shí)現(xiàn)的。然而，由于通訊中的時滯和系統(tǒng)中存在的噪聲及系統(tǒng) 自身存在的不穩(wěn)定因素，使實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且透明的雙工

16、系統(tǒng)操作仍有困難。因此， 設(shè)計在系統(tǒng)存在顯著通訊延遲環(huán)境下的雙工控制器更具實(shí)際意義。設(shè)計具有自 適應(yīng)性的雙工控制器5 是一種可行的方法?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人技術(shù)被提出后，首先被應(yīng)用到遙操作領(lǐng)域。如前面提到的 Mercury robotTelerobot 及Telegerden 等都是給用戶提供通過因特網(wǎng)對 遠(yuǎn)程設(shè)備實(shí)施遙操作控制。這些系統(tǒng)在初期只能提供機(jī)器人工作環(huán)境的靜止畫 面，有些系統(tǒng)如Telegerden也嘗試使用CAD技術(shù)來回饋被控機(jī)械臂狀態(tài)動 畫。當(dāng)支持通過網(wǎng)絡(luò)傳輸流式圖像數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)攝像頭技術(shù)出現(xiàn)后，現(xiàn)場環(huán)境的 圖像反饋?zhàn)兊靡子趯?shí)現(xiàn)。要使用戶能遠(yuǎn)程控制機(jī)器人并完成一系列復(fù)雜動作，就需要使用

17、更先進(jìn)的技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且友好的用戶界面。在這些工作中，MattheW R. Stein的網(wǎng)絡(luò) 交互繪畫機(jī)器人PumaPaint Project十分引人注目。它允許任意因特網(wǎng)用戶 通過網(wǎng)絡(luò)控制PUMA76O機(jī)械臂在遠(yuǎn)程實(shí)驗室畫布上完成繪畫操作。用戶界面提 供了用Java設(shè)計的虛擬畫布，并且系統(tǒng)通過不斷的圖像更新給用戶提供及時 的視覺反饋，使得沒有任何專業(yè)知識的網(wǎng)絡(luò)用戶也可輕松實(shí)施操作。根據(jù)控制系統(tǒng)性能和技術(shù)的先進(jìn)性，遙操作機(jī)器人6 控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā) 展可分為如下幾個階段：（1）手工閉環(huán)控制這是最早且研究最多的一種遙操作形式，其中操作者是手動閉環(huán)控制的核心部 分。這一早期的遙操作技術(shù)主要應(yīng)用

18、于在危險環(huán)境下進(jìn)行操作的設(shè)備中，如核 工業(yè)設(shè)備，水下遙控操作設(shè)備和空間設(shè)備。但通訊的明顯滯后、不穩(wěn)定性和手 動閉環(huán)控制是其主要缺點(diǎn)。（2）共享或監(jiān)管控制這種控制機(jī)制的目的是使機(jī)器人或設(shè)備的控制可由本地控制回路和遠(yuǎn)程遙控操 作者來共享。本地控制回路負(fù)責(zé)其基本功能的實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程遙控操作者主要負(fù)責(zé) 系統(tǒng)的監(jiān)控及對異常情況的處理。這一技術(shù)提高了操作者對設(shè)備的可操作性， 避免了系統(tǒng)不穩(wěn)定性問題。但昂貴的、為單一目的建設(shè)的操作站是其致命的缺點(diǎn)。通訊的專用性也限制了普通網(wǎng)絡(luò)用戶的訪問，使得這一技術(shù)只能應(yīng)用于固定的專業(yè)領(lǐng)域中。（3）基于萬維網(wǎng)的遙操作機(jī)器人萬維網(wǎng)遙控機(jī)器人這一概念還處于雛形階段.它通過基于因特網(wǎng)

19、的Web瀏覽器 來控制遠(yuǎn)程機(jī)器人和設(shè)備。這就需要先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控機(jī)制來避免系統(tǒng)的不穩(wěn)定 并支持網(wǎng)絡(luò)多用戶訪問。這一技術(shù)的提出開創(chuàng)了一個嶄新的研究領(lǐng)域，使遙操 作技術(shù)的應(yīng)用走向網(wǎng)絡(luò)化和全球化。2、基于網(wǎng)絡(luò)的自主移動機(jī)器人控制技術(shù)使用萬維網(wǎng)作為機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)構(gòu)架使得在僅使用標(biāo)準(zhǔn)-TML接口的情 況下給網(wǎng)絡(luò)用戶提供訪問變得易于實(shí)施。因此可應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)一步擴(kuò)展自主 移動機(jī)器人7的控制手段，使其控制不再受空間和地域的限制。國外在這一領(lǐng) 域已經(jīng)開展了深入研究，如Carnegie Mellon大學(xué)研發(fā)的基于Web的辦公室 自主移動機(jī)器人 Xavier和基于網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的博物館導(dǎo)游機(jī)器人 Miner

20、va。這些機(jī)器人的特點(diǎn)是自身具有較高自主性，而網(wǎng)絡(luò)技術(shù)又給異地操作 者提供了進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的手段.基于網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)自主機(jī)器人控制采用事件驅(qū)動 和任務(wù)控制的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)時，其自主性和基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制會得到更完 美的結(jié)合。最初基于網(wǎng)絡(luò)的移動機(jī)器人的自主性能有限，而且同一時間內(nèi)只能向單一用戶 提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。瑞士聯(lián)邦洛桑科技研究所的KheponTheWeb就是其中典型代表。 用戶可通過網(wǎng)絡(luò)控制小型移動機(jī)器人在人造迷宮中進(jìn)行運(yùn)動并能同時經(jīng)攝像頭 的圖像反饋進(jìn)行觀察。Carnegie Mellon大學(xué)研發(fā)的Xaiver是第一個可通過網(wǎng)絡(luò)控制并運(yùn)行于復(fù) 雜辦公環(huán)境的自主移動機(jī)器人。機(jī)器人可在線或離線接收請求命

21、令并在運(yùn)行時 段內(nèi)進(jìn)行處理。Xaiver完成任務(wù)后會通過電郵件通知用戶。Xaiver的網(wǎng)絡(luò) 界面使用了 client-pull和server-push 技術(shù)來獲取圖像8。此外 Xaiver的用戶界面還提供辦公環(huán)境的地圖并顯示機(jī)器人在其上的位置。 在更為復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境（如博物館）中，機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時會遇到大量不 可預(yù)見事件。博物館導(dǎo)游機(jī)器人Minerva除了要對網(wǎng)絡(luò)用戶進(jìn)行在線響應(yīng)， 同時還要與博物館中的游客進(jìn)行現(xiàn)場人機(jī)交互，所以其任務(wù)規(guī)劃要能夠處理各 種不可預(yù)測的突發(fā)事件。博物館導(dǎo)游機(jī)器人要及時向用戶提供各種反饋.由于使 用了基于Java applet的技術(shù)9，其在低帶寬情況下仍能按要求更新

22、機(jī)器 人狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)用戶界面還提供機(jī)器人所帶攝像頭和安裝于天花板上攝像頭所傳 回的圖像。使用多種方式的代理技術(shù)可支持多用戶同時訪問。實(shí)際應(yīng)用中常要 求網(wǎng)絡(luò)用戶同現(xiàn)場用戶分享機(jī)器人的控制。網(wǎng)絡(luò)能給異地用戶提供遠(yuǎn)程現(xiàn)場再 現(xiàn)，而現(xiàn)場用戶則通過比網(wǎng)絡(luò)更直接的方式控制機(jī)器人，這就要求混合控制的 界面設(shè)計要避免兩者相互干擾。提高被控機(jī)器人的自主性對實(shí)現(xiàn)實(shí)時遠(yuǎn)程控制具有重要意義。被控機(jī)器人本身 具有的避障功能，對路徑的自主規(guī)劃和對多任務(wù)的決策能力，都有利于減少網(wǎng) 絡(luò)通訊中不可預(yù)測時滯對機(jī)器人控制實(shí)時性的影響。這一思想的實(shí)質(zhì)是將屬于 遠(yuǎn)程控制的部分功能下放到控制系統(tǒng)本地來實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)程的操作者只需對預(yù)先定 義好的

23、操作指令實(shí)施控制操作，或直接通過對運(yùn)行于客戶端的輔助軟件的圖形 界面及命令菜單的點(diǎn)擊來實(shí)施遠(yuǎn)程操作控制。這一方法降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度， 將各種簡單的基本操作集成為高層次的復(fù)合動作，從而提高了系統(tǒng)操作的集成 度，加快了系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度，保證了控制的實(shí)時性。通過上述技術(shù)手段的應(yīng)用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通訊出現(xiàn)擁塞而導(dǎo)致傳輸速率下降時，機(jī)器 人控制系統(tǒng)本身應(yīng)能夠相應(yīng)降低控制精度，暫緩非緊急任務(wù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)通 訊的負(fù)載。如果出現(xiàn)系統(tǒng)暫時的通訊中斷，控制系統(tǒng)的自主性可避免機(jī)器人處 于失控狀態(tài)，使其仍能正常完成底層控制功能，并可根據(jù)前一時間段中存儲的 遠(yuǎn)程控制信息進(jìn)行智能預(yù)測，自主的繼續(xù)完成操作者的控制要求?；诰W(wǎng)絡(luò)

24、的自主機(jī)器人遠(yuǎn)程控制技術(shù)與傳統(tǒng)遙操作技術(shù)相比，有如下幾方面 不同：網(wǎng)絡(luò)時滯和通訊容量具有相當(dāng)?shù)牟淮_定性，因此自主性對基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器 人更顯重要。這就要求基于網(wǎng)絡(luò)控制的機(jī)器人要比傳統(tǒng)機(jī)器人具有更強(qiáng)的自主 性。如果要設(shè)計適合網(wǎng)絡(luò)中大量用戶可控的機(jī)器人，傳統(tǒng)的專用控制模式是不 適用的，取而代之的應(yīng)采用網(wǎng)絡(luò)多用戶代理控制 (brokering controlamong multiple Web users) 機(jī)制。 (3) 實(shí)際 應(yīng)用中需要網(wǎng)絡(luò)用戶同現(xiàn)場用戶分享對機(jī)器人資源的控制?，F(xiàn)場用戶可通過比 網(wǎng)絡(luò)更方便直接的方式控制機(jī)器人。這就要求復(fù)合控制的軟件設(shè)計要考慮如何 協(xié)調(diào)現(xiàn)場人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制指令兩者

25、間的相互關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)能通過虛擬遠(yuǎn) 程現(xiàn)場技術(shù)給訪問用戶提供視覺反饋。(4)網(wǎng)絡(luò)用戶通常缺乏遠(yuǎn)程操作控制所需的專業(yè)知識。因此要求界面設(shè)計要比 傳統(tǒng)遙操作機(jī)器人更圖形化和易于操作。機(jī)器人采集的現(xiàn)場信息不僅要適于機(jī) 器人自主控制的應(yīng)用，同時也要易于網(wǎng)絡(luò)用戶的操作。三、分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)基于因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用使得低價、靈活、可擴(kuò)展的真正分布 式系統(tǒng)得以在機(jī)器人領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。任何連接到因特網(wǎng)上的機(jī)器人、代理設(shè)備、現(xiàn) 場設(shè)備相互間均可進(jìn)行通訊和交互操作以共同完成遠(yuǎn)程任務(wù)。在美國航空航天 管理局的尋路者計劃(Pathfinder mission)中就采用了這一技術(shù)10。這 使得科學(xué)家們不必集中

26、到加利福尼亞的控制中心也可在世界各地通過因特網(wǎng)交 互系統(tǒng)來相互合作實(shí)施對尋路者計劃中空間設(shè)備的控制。這一應(yīng)用是通過因特 網(wǎng)實(shí)施分布式控制的成功實(shí)例。構(gòu)建高性能的通訊協(xié)議體系是實(shí)現(xiàn)多個用戶和代理間協(xié)作控制的前提。由于協(xié) 議在整個系統(tǒng)中必須具有通用性，這也使得實(shí)施這一協(xié)議的系統(tǒng)應(yīng)具有可重用 的軟件架構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，同位體是指任何與另一個實(shí)體處在同一層次 上的功能單元或操作裝置。分布式系統(tǒng)架構(gòu)允許多個同位體通過中央路由器進(jìn) 行互聯(lián)。同位體還可通過具有可選擇性的通訊“頻道”進(jìn)行報文交換。路由器 除了知道報文的目的地址和通訊“頻道”外無需了解報文中具體內(nèi)容。當(dāng)分布式系統(tǒng)中包含機(jī)器人設(shè)備時通常被定義

27、為分布式機(jī)器人系統(tǒng)。不同的分 布式機(jī)器人系統(tǒng)使用不同的通訊協(xié)議和技術(shù)，如可應(yīng)用CORBA、RMI或MOM等 中間件技術(shù)來實(shí)現(xiàn)其分布性。中間件是為特定用戶的需要而剪裁的系統(tǒng)軟件。圖1同位體到路由器的體系結(jié)構(gòu)基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)的研發(fā)核心是實(shí)時遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)。為克服網(wǎng)絡(luò)的 不可預(yù)測時滯，達(dá)到對被控機(jī)器人實(shí)施實(shí)時控制的要求，可將通訊構(gòu)建在實(shí)時 TCP/IP通訊平臺之上。國外已有基于這一先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)品，其技術(shù)原理是在 傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上，對開放式網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的七層通訊結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡與優(yōu) 化。此外在新因特網(wǎng)協(xié)議IPV6中有預(yù)留的SVP協(xié)議，其支持視覺圖像數(shù)據(jù)流 的實(shí)時高速傳輸，這都有利于虛擬遠(yuǎn)程

28、現(xiàn)場技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。研發(fā)中還可從控制軟 件的構(gòu)架上實(shí)現(xiàn)對控制任務(wù)的規(guī)劃與管理。由于Linux NT技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)對 多個任務(wù)進(jìn)程的管理，并支持具有不同優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)程實(shí)施搶占機(jī)制，這都 適于遠(yuǎn)程操作者對機(jī)器人所遇到的突發(fā)事件實(shí)施優(yōu)先處理。在研發(fā)中還可以考 慮采用帶有嵌入式模塊的多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)來構(gòu)建基于事件驅(qū)動和任務(wù)控制 的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制，需要對通訊的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要分 為遠(yuǎn)程控制信息和現(xiàn)場反饋信息。其中現(xiàn)場反饋信息包含大量的視覺圖像數(shù)據(jù)。 圖像采集卡完成圖像的數(shù)字化后，軟件首先要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如進(jìn)行 圖像辨識與數(shù)的網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量做出判斷，并相應(yīng)的以不同的

29、圖像精度和更新頻 率來響應(yīng)控制端的請求?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制軟件的開發(fā)中涉及通用網(wǎng)關(guān)接口（ CGID和超文 本傳輸協(xié)議（HTTPD等技術(shù)的應(yīng)用。CGI可對客戶端的請求進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)，而 HTTP是一個無狀態(tài)的面向?qū)ο笫絽f(xié)議。但CGI和HTTP的技術(shù)組合仍有局限 性，使用JAVA技術(shù)可以解決這些問題.JAVA使客戶端可控制網(wǎng)絡(luò)連接且其 用戶接口功能完備。JAVA語言的另一個重要特性是其內(nèi)置的多線程機(jī)制。JAVA 在系統(tǒng)級和語言級均提供了對多線程的支持，使得JAVA具備了當(dāng)代優(yōu)秀操作 系統(tǒng)并發(fā)處理事務(wù)的能力，這樣在程序的運(yùn)行中很容易實(shí)現(xiàn)各功能模塊之間的 切換協(xié)作與數(shù)據(jù)交換13o JAVA是與平臺

30、無關(guān)的，它不僅在源代碼級上實(shí)現(xiàn) 了可移植，在二進(jìn)制代碼上也實(shí)現(xiàn)了可移植。四、機(jī)器人控制技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用90年代后期，豐田雙足步行機(jī)器人P2和索尼AIBO等對機(jī)器人熱潮起到了 推波助瀾的作用；日本和韓國在2004年都推出了下一步國家信息化戰(zhàn)略，分 別稱作u-Japan和u-Korea。日本政府的u-Japan計劃著力發(fā)展泛在網(wǎng)絡(luò) （Ubiquitous Network，簡稱UN）和相關(guān)產(chǎn)業(yè)，希望由此催生新一代信息科 技革命。“ubiquitous”來源于拉丁語，意為“普遍存在的，無所不在的”。國 際信息產(chǎn)業(yè)界最早提出此概念的是已故美國施樂公司Palo Alto研究中心 （PARC）的MarkW

31、eiser博士。由于光纖寬帶的廣泛應(yīng)用、手機(jī)的迅速普及、 小型無線條碼閱讀器、加速度傳感器等超小型器件技術(shù)革新使得UN得以實(shí)現(xiàn)。 而這里所提及的UN技術(shù)不僅僅在電腦空間，在實(shí)際環(huán)境以及人體內(nèi)的信息處理 中，大大增加了和機(jī)器人技術(shù)的親和性。隨著這種技術(shù)潮流的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 和機(jī)器人技術(shù)融合產(chǎn)生了 “網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人”2、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)功能在“網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人調(diào)查研究會”的總結(jié)報告中就機(jī)器人能夠給人提供興奮的感覺、 正常的感覺、安心的感覺，列舉出網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人未來的形象。（1）現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界融合給人們提供新的價值觀和興奮點(diǎn)（興奮的感 覺）。（2）在機(jī)器人平臺上能夠按照用戶的需求自由地應(yīng)用軟件。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)

32、親切的人機(jī)接口（正常的感覺），能夠理解人的意圖和情感。（4） 能夠自由地選擇最佳網(wǎng)絡(luò)，訪問通用數(shù)據(jù)庫和軟件庫等資源，共享信息。（5）能夠靈活地應(yīng)對局部性的規(guī)則，保護(hù)個人隱私保證信息安全保密，用戶能 夠安全地安心利用網(wǎng)絡(luò)（安心感）。五、一些硬件電路的設(shè)計（1）信號選頻放大使用電感線圈可以對其周圍的交變磁場感應(yīng)出感應(yīng)電動勢。這個感應(yīng)電動 勢信號比較弱，干擾多。因此信號放大需要進(jìn)行選頻放大，使得20kHz的信號 能夠有效的放大，并且去除其它干擾信號的影響。可以使用LC串并聯(lián)諧振電路（帶通電路）來實(shí)現(xiàn)選頻電路。如圖2所示：圖2選頻電路圖電路諧振頻率為：圖2選頻電路圖電路諧振頻率為：f（公式1）已知感應(yīng)

33、電動勢的頻率f0=20KHz,感應(yīng)線圈電感為L=10mH，由（公式1）可以 得到電容容量的表達(dá)式如（公式2）。C = 1(2U)2 L(公式 2)由（公式2）可以計算出諧振電容的容量為:C = 6.33 x 10-9 F(2兀 x 20 x 103)2 x10 x10-3通常在市場上可以購買到的標(biāo)稱電容與上述容值最為接近的電容為6.8nF， 所以在實(shí)際電路中我們選用6.8nF的電容作為諧振電容。為了能夠更加準(zhǔn)確測量感應(yīng)電容式的電壓，還需要將上述感應(yīng)電壓進(jìn)一步 放大，一般情況下將電壓峰峰值放大到15V左右，就可以進(jìn)行幅度檢測，所以 需要放大電路具有100倍左右的電壓增益（40db）。最簡單的設(shè)計

34、可以只是用一階共射三極管放大電路就可以滿足要求。也可 以選用運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓放大。但是需要選擇低噪音、動態(tài)范圍大的高速運(yùn) 放，成本較高，所示不選用運(yùn)算放大器進(jìn)行信號放大。一般晶體三極管帶寬較大，因而大體只需考慮放大倍數(shù)?？梢赃x取常用的NPN 三極管8050-D或1815-GR，我們選取的是1815-GR作為放大。（2）檢波整流測量放大后的感應(yīng)電動勢的幅值E使用二極管檢波電路將交變的電壓信號 檢波形成直流信號，該信號正比于感應(yīng)電壓幅值的數(shù)值，可以知道單片機(jī)的AD 進(jìn)行測量。為了能夠獲得更大的動態(tài)范圍，檢波電路中的二極管使用肖特基二極管 1N5819。由于肖特基二極管的開啟電壓一般在0.10.3

35、V左右，小于普通的硅二 極管（0.7V），可以增加輸出信號的動態(tài)范圍和增加整體電路的靈敏度。最終，我們得到整個路徑識別模塊的電路圖如圖3所示:圖3信號放大處理電路圖舵機(jī)使能控制電路可以說，舵機(jī)是一個非常脆弱的部件，稍有不慎就會燒掉，特別是被卡住 的時候，為了防止在下載程序的時候舵機(jī)處于供電狀態(tài)，所以加了一個舵機(jī)使 能控制電路，舵機(jī)使能電路相當(dāng)于一個軟開關(guān)，可以通過軟件去控制舵機(jī)電源。 設(shè)置PB0 口可以使得舵機(jī)只有在程序被下進(jìn)去并且運(yùn)行之后才會被供電，否則 處于斷電狀態(tài)，原理圖如圖4所示。J3圖4舵機(jī)使能控制電路電機(jī)驅(qū)動模塊采用大功率MOS管IRF4905和IRF3205搭成H橋驅(qū)動電機(jī)。為使

36、電機(jī)能夠 快速的加減速，可以采用反轉(zhuǎn)進(jìn)行剎車。但電機(jī)的正反轉(zhuǎn)會產(chǎn)生很大的制動電 流，對電機(jī)驅(qū)動本身造成很大的損害。而在實(shí)際應(yīng)用中只使用到半橋，其中一 個控制端接地。當(dāng)需要制動時，只要使電機(jī)對地短接，依靠電機(jī)反電動勢制動 同樣得到較好的制動效果。驅(qū)動和單片機(jī)之間使用了 MIC4424驅(qū)動H橋電路，既保證了開啟MOS管柵 極的邏輯控制，也對單片機(jī)有隔離保護(hù)的作用。MI34 物圖4.6.1電機(jī)驅(qū)動電路圖數(shù)字PID設(shè)計通過對模擬控制系統(tǒng)PID控制規(guī)律的表達(dá)式進(jìn)行離散化，可以得到直接離 散控制(DDC)的PID表達(dá)式如(公式10)所示：u(k) = Kpe(k) + K, Y e(i) + KD e(k

37、) - e(k -1)(公式10)表示的控制算法提供了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置u(k)，所以被稱為數(shù)字PID 位置控制算式。為方便數(shù)字PID算式的實(shí)現(xiàn)，對位置型控制算式進(jìn)行了改進(jìn)，即得到數(shù)字 PID的增量型控制算式如(公式11)所示：Au (k) = u (k) 一 u (k -1)=Kp e(k) - e(k -1) + K e(k) + * e(k) - 2e(k -1) + e(k - 2)(公式 口)PID控制算法舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制采用了經(jīng)典的PID控制，在合理的設(shè)置參數(shù)后，該算法響應(yīng) 速度快、穩(wěn)態(tài)誤差都較低，為使舵機(jī)的相應(yīng)速度加快，只是使用了PD算法已經(jīng) 可以取得不錯的控制效果。采用位置型算法，根據(jù)

38、小車偏離導(dǎo)線的偏差，舵機(jī)控制算式為：u = u + P * ei + D * (ei - ei _ 1)在(公式12)中，u為給定舵機(jī)控制量，u0為舵機(jī)中心值，P、D分別為比例系數(shù)和微分系數(shù)，ei為當(dāng)前偏移量，ei_1為上一次偏移量。六、結(jié)束語基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制是當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)的研究熱點(diǎn)，對于遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教 學(xué)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)以及傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的改造，具有潛在的應(yīng)用價值。由單機(jī)器人控 制到多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然趨勢15，將Internet嵌入 到多機(jī)器人系統(tǒng)中，發(fā)揮其獨(dú)到優(yōu)勢，是非常自然的事情，這方面的研究也是很 有必要的。機(jī)器人技術(shù)是一種是以自動化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)為主體、有機(jī)融合

39、各種現(xiàn)代信 息技術(shù)的系統(tǒng)集成和應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng) 域得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提升了生產(chǎn)品質(zhì)并成功解放了勞動力資源。作為 高技術(shù)領(lǐng)域中重要的前沿技術(shù)之一，機(jī)器人技術(shù)具有前瞻性、先導(dǎo)性的特點(diǎn)， 對學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)升級、培養(yǎng)創(chuàng)新意識、保障國家安全、引領(lǐng)未來經(jīng)濟(jì)社會的 發(fā)展有著十分重要的作用。目前，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)突破，從根本上為提升機(jī)器 人技術(shù)的學(xué)術(shù)研究提供了必要的支持，為機(jī)器人的應(yīng)用范圍拓寬了道路，已涵 蓋國防、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)、老人康復(fù)、教育甚至普通家庭生活，一 場新的機(jī)器人技術(shù)研究高潮和發(fā)展契機(jī)業(yè)已到來。參考文獻(xiàn)Kenneth Taylor Barney D

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