基于Internet的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人

在先進(jìn)制造系統(tǒng)中基于Internet的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控的工業(yè)機(jī)器人摘要在分散的制造環(huán)境中，遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測是至關(guān)重要的。今天的需要維持高生產(chǎn)率和靈活性的分布式車間的響應(yīng)能力就是很好的證明。然而，由于缺乏一個(gè)集成了遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測及控制的自動(dòng)化設(shè)備的有效的系統(tǒng)架構(gòu)，這就需要進(jìn)行太多關(guān)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和時(shí)間延遲等方面的考慮。本文提出了一種基于互聯(lián)網(wǎng)和傳感器驅(qū)動(dòng)的體系結(jié)構(gòu)，它可以保證不失真的傳送控制信息和減少本地虛擬機(jī)器人和遠(yuǎn)程機(jī)器人行動(dòng)之間的時(shí)間差，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。為了證明和驗(yàn)證建筑設(shè)計(jì)，一種3自由度慧魚工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控系統(tǒng)目前已經(jīng)很發(fā)達(dá)了。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是令人鼓舞的，它展示了一種先進(jìn)的智能化領(lǐng)域的應(yīng)用制造環(huán)境。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程機(jī)器人、先進(jìn)制造系統(tǒng)1.引言小批量產(chǎn)品種類繁多的分布式制造車間是全球企業(yè)和外包的小到中型企業(yè)的典型特點(diǎn)。為了保持競爭力，他們需求的動(dòng)態(tài)的控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能來響應(yīng)和適應(yīng)快速變化的日常生產(chǎn)生活，為了達(dá)到最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和最高的生產(chǎn)效率，分布式制造與網(wǎng)絡(luò)化制造相結(jié)合的出現(xiàn)使其變成現(xiàn)實(shí)。自1993互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)后不久，大量解決在分布式制造中存在的問題的方法和架構(gòu)已經(jīng)被提出。然而，他們中的大多數(shù)是用于開發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)，快速原型設(shè)計(jì)，與項(xiàng)目管理。例如，webcadet用于分布式設(shè)計(jì)支持，CyberCut用于基于網(wǎng)絡(luò)的快速加工，和negotiationlens用于解決沖突。遺憾的是，今天的大多數(shù)制造設(shè)備沒有內(nèi)置的傳輸能力和接收數(shù)據(jù)。幾個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是專門用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控?；ヂ?lián)網(wǎng)上的時(shí)間延遲是可變的和不可預(yù)知的，一個(gè)直接的遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)方案能夠使用戶精確控制機(jī)器人或其他設(shè)施的行為是很不容易的，特別是對那些需要精確的動(dòng)作來完成的一些任務(wù)，如分布式制造，遠(yuǎn)程醫(yī)療，遠(yuǎn)程實(shí)施等?；ヂ?lián)網(wǎng)上的遠(yuǎn)程控制方案在文獻(xiàn)中提出過，但控制系統(tǒng)目前還沒有實(shí)時(shí)監(jiān)測和行動(dòng)的特點(diǎn)。在一個(gè)典型的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測系統(tǒng)中，以機(jī)器人遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測為例，用戶可以在任何可以連接到互聯(lián)網(wǎng)的地方，通過瀏覽器控制真正的機(jī)器人。他們可以在遠(yuǎn)程站點(diǎn)從反饋控制的機(jī)器人的狀態(tài)信息來監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；此外，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)上虛擬的機(jī)器人的仿真模擬可以很容易掌握遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的方法。但在基于Internet的遠(yuǎn)程操作中，控制流和反饋流通過TCP／IP協(xié)議轉(zhuǎn)讓，這不具有實(shí)時(shí)同步問題性能。在互聯(lián)網(wǎng)上的時(shí)間延遲可以改變控制和反饋信息，從而使整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，我們提出了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制架構(gòu)，這在分布式制造中具有重要的意義。因?yàn)樵趀Manufacturing它很容易概括其他應(yīng)用程序，在本文中，我們利用實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控的工擬機(jī)器人的行為并不能反映當(dāng)時(shí)的機(jī)器人的真實(shí)行為，然后當(dāng)時(shí)的操作者將失去對遠(yuǎn)程機(jī)器人的狀態(tài)的認(rèn)識(shí)。3.實(shí)時(shí)機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)與監(jiān)測工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在圖1中有一些不良的特征。第一，空采樣和多采樣，如圖2所示，控制信息失真的LED顯示如圖3所示；第二是虛擬機(jī)器人和遠(yuǎn)程機(jī)器人動(dòng)作之間的時(shí)間差。因此，可以擺脫這些問題的架構(gòu)是必要的。首先，我們要解決的第一個(gè)問題。圖4顯示了改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，同時(shí)控制流重構(gòu)模塊的信息也被介紹；它有兩個(gè)子模塊：樣品清單和控制流構(gòu)造函數(shù)。我們不只是在利用隊(duì)列，因?yàn)槲覀冃枰诹斜碇惺褂脙纱卧?。該模塊可以處理在空采樣和多采樣的情況下的原始輸入控制信息，重建控制信號(hào)并送入網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的網(wǎng)站，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延TD1后由遠(yuǎn)程站點(diǎn)接收；FD并根據(jù)時(shí)間戳將其存儲(chǔ)在樣品清單中。在緩沖時(shí)間TD2后，樣品的列表清單必須包含一個(gè)具體的控制信息的樣本，其數(shù)目足可以進(jìn)行一個(gè)事件，這樣即便機(jī)器人停止等待控制信息的輸入，也可以避免對遠(yuǎn)程機(jī)器人或機(jī)器人周圍的人造成損傷。圖4基于Internet的遠(yuǎn)程機(jī)器人的控制與監(jiān)測方案控制流構(gòu)造函數(shù)在每個(gè)采樣時(shí)間t周期內(nèi)從樣品列表取出一個(gè)樣品重構(gòu)控制信號(hào)。如果一些數(shù)據(jù)包丟失，該構(gòu)造函數(shù)將使用最近使用的數(shù)據(jù)包來填充它?？丶墓δ苄畔⒘鞯闹亟?，如圖5所示，當(dāng)TD=TD1+TD2時(shí)。因此，工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先解決的的問題，這是當(dāng)?shù)氐目刂菩畔⒈晦D(zhuǎn)移到一個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)通過互聯(lián)網(wǎng)和不是扭曲的，盡管有延遲時(shí)間td。TD可以導(dǎo)致本地虛擬機(jī)器人和行動(dòng)之間的時(shí)間差遠(yuǎn)程機(jī)器人；這個(gè)動(dòng)作時(shí)間的差異也許可以累積到無法忍受的程度，所以我們必須嘗試為了進(jìn)一步提高控制結(jié)構(gòu)。信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/s信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/sa信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/s信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/sb信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/s信號(hào)強(qiáng)度mm時(shí)間/sc圖5a輸入控制流b通過互聯(lián)網(wǎng)的扭曲的控制流c改進(jìn)后的控制流操作者希望真正的機(jī)器人像虛擬機(jī)器人一樣能幾乎在同一時(shí)間執(zhí)行在一個(gè)特定的動(dòng)作。體系結(jié)構(gòu)如圖4所示可以處理網(wǎng)絡(luò)引起的空采樣和多采樣時(shí)間延遲，保證真正的機(jī)器人像虛擬機(jī)器人一樣做同樣的動(dòng)作。但它也有一個(gè)問題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間td的積累，真正的機(jī)器人和模擬機(jī)器人之間的時(shí)間差會(huì)不斷增加。在一個(gè)具體的行動(dòng)中，真正的機(jī)器人執(zhí)行動(dòng)作滯后虛擬機(jī)器人越來越長，在幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，控制虛擬機(jī)器人的行動(dòng)將不能反映真正的機(jī)器人的行動(dòng)。為了解決這個(gè)問題，我們對遠(yuǎn)程機(jī)器人的控制和監(jiān)控體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，如圖6所示。圖6改進(jìn)的遠(yuǎn)程機(jī)器人的控制與監(jiān)測方案進(jìn)一步改進(jìn)的架構(gòu)方案保證了真正的機(jī)器人與虛擬機(jī)器人在任何特定的時(shí)間點(diǎn)做同樣的動(dòng)作。作為重建的控制信號(hào)重新送入機(jī)器人來執(zhí)行，給對應(yīng)的控制信號(hào)的控制包增加一個(gè)時(shí)間戳進(jìn)去，時(shí)間戳是控制包執(zhí)行的時(shí)間，這個(gè)控制包的控制數(shù)據(jù)是不必要的反饋；它可由能描述這個(gè)控制包的信息來替換，需要找到這個(gè)信息包并在本地站點(diǎn)和它相比較。這個(gè)信息是B（I），為了節(jié)省帶寬，它是結(jié)合傳感器的信息，如視覺，激光，聲納遙感信息來傳遞回本地站點(diǎn)。反饋信息的解釋器認(rèn)可這個(gè)控制包BD（i），當(dāng)遠(yuǎn)程機(jī)器人執(zhí)行控制包的控制信息時(shí)，它包括時(shí)間戳。時(shí)間戳減去時(shí)間戳F（i）是在F時(shí)間（i）被發(fā)送，這導(dǎo)致T。這是V–R差調(diào)節(jié)器模塊的功能，其調(diào)節(jié)器包括一個(gè)隊(duì)列包含F(xiàn)（i），F(xiàn)（I+1），F(xiàn)（I+2），F(xiàn)（……）。減法的結(jié)果可以控制虛擬機(jī)器人的動(dòng)作，使它在任何時(shí)間點(diǎn)像真正的機(jī)器人一樣做相同的動(dòng)作。T=Tb（i）?TF（i）是延遲，當(dāng)F（J）上的隊(duì)列被送入一個(gè)虛擬機(jī)器人時(shí)的動(dòng)作。4.原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一個(gè)建立基礎(chǔ)上的體系結(jié)構(gòu)如圖6所示的原型是實(shí)現(xiàn)為用戶提供基于互聯(lián)網(wǎng)和傳感器驅(qū)動(dòng)的直觀的環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測系統(tǒng)，而不是相機(jī)圖像，感興趣的物理設(shè)備，如機(jī)器人或機(jī)器設(shè)備，可通過一個(gè)基于場景圖OpenGL的三維模型來表示。三維模型是由本地的CPU和可以在遠(yuǎn)程工作的顯示在客戶端的可視化的真實(shí)行為來繪制。它仍然存在，通過低量的傳感器數(shù)據(jù)和消息傳遞用戶控制命令與物理設(shè)備進(jìn)行連接。三維模型從不同的角度為用戶提供可視化的靈活的圖案，就像漫步或飛行是不可能的通過使用固定的光學(xué)相機(jī)的進(jìn)行設(shè)置是一樣的道理。默認(rèn)情況下，虛擬三維機(jī)器人提供給了遠(yuǎn)程操作的遠(yuǎn)程車間的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但每當(dāng)需要它時(shí)，現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)就緒的攝像機(jī)可以很容易地切換至遠(yuǎn)程以捕獲不可預(yù)知的真實(shí)場景。可在很大程度上減少網(wǎng)絡(luò)流量，同時(shí)保證機(jī)制為分散的用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制?？刂坪捅O(jiān)測我們的原型界面如圖7所示圖7兩個(gè)畫面的實(shí)時(shí)操作和監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人總結(jié)起來，原型系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：（1）使用交互式的傳感器驅(qū)動(dòng)，基于OpenGL的三維模型場景圖，而不是消耗帶寬攝像機(jī)圖像的視覺監(jiān)測；（2）僅發(fā)送控制命令和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)虛擬模型和真正的機(jī)器人之間的操作和監(jiān)控；（3）為遠(yuǎn)程用戶提供不同的方法來監(jiān)測的虛擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，讓用戶知道機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果3自由度慧魚工業(yè)機(jī)器人是個(gè)模型，就像圖7中的圖片一樣。在我們的控制實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人是通過移動(dòng)對象及軌跡預(yù)先設(shè)定來進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的?？刂撇蓸宇l率信號(hào)是20赫茲，位于昆明的網(wǎng)絡(luò)代理被使用，本地/遠(yuǎn)程站點(diǎn)則位于廣州，因此，本地/遠(yuǎn)程站點(diǎn)之間的邏輯距離約2000公里，在虛擬機(jī)器人與機(jī)器人之間的動(dòng)作的差異和時(shí)間的差異如圖8所示。圖8動(dòng)作時(shí)間差和行為差異比較。A，B性能的典型架構(gòu)。C，D性能提出的控制架構(gòu)結(jié)果表明，與我們的提出的控制架構(gòu)相比，虛擬機(jī)器人和機(jī)器人之間的行為的差異隨時(shí)間差的減少而減少。圖9顯示了一些真正的機(jī)器人，它證明了我們的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和適用性。圖93自由度慧魚工業(yè)機(jī)器人遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)6.結(jié)論遠(yuǎn)程監(jiān)控在分散制造環(huán)境中是至關(guān)重要的，需要維持高生產(chǎn)率和靈活性的分布式車間是很好的證明。在本文中，進(jìn)行了實(shí)時(shí)、同步遠(yuǎn)程控制體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和分析，它對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不敏感，可以解決因網(wǎng)絡(luò)