机器人遥操作系统控制技术

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第1章 绪论
　　本章首先介绍了遥操作系统的概念，简要概述了遥操作系统的发展，列举了遥操作系统的关键问题，并介绍了遥操作系统已有的控制结构与控制方法。
　　1.1 机器人遥操作系统的概念
　　遥操作中的“遥”指的是距离，即意味着操作者和执行任务之间存在障碍[1]。而这种障碍可能是由危险的环境、远距离，或是在非常小或非常大的环境中造成的。因而遥操作涉及远程环境中任务的执行性能，并且将操作者的感知和操作能力扩展到了远程位置[2]。
　　通常遥操作系统(teleoperation systems)[3-8]是指操作者操纵主机器人进行相应的动作，该动作指令通过通信通道传输到从机器人，从而指挥从机器人代替人在难以接近的或危险的环境中完成较为复杂的操作任务的一种作业系统。典型的遥操作系统结构主要由操作者(operator)、主机器人(master)、通信通道(channel)、从机器人(slave)、环境(environment)等几部分组成，如图1-1所示。图中，分别为主机器人和从机器人的位置，分别为主机器人和从机器人的控制输入力，为操作者与主机器人之间的作用力(或称交互力、接触力)，为环境与从机器人之间的作用力。当遥操作系统工作时，不同类型的信息可通过通信通道
　　图1-1 典型的遥操作系统结构图
　　在远程端和本地端之间进行传递，如力、位置、视觉、听觉等数据。当操作者对主机器人施加力时，主机器人的位置指令也通过通信通道传送给远程的从机器人，这使得从机器人可以完成某项任务(如在环境中抓取一个物体)。与此同时，从机器人又将其与环境之间的作用力返回给操作者使得操作者有触摸感(称为力反馈或触觉反馈)，从而使得操作者施加正确的力。力反馈可以提高操作者执行远程任务时的能力，如任务成功率、完成时间、操作力的正确施加等[9，10]。
　　如果一个遥操作系统中存在从端到主端的力反馈，那么称这个系统为双边遥操作系统。反之，如果遥操作系统中不存在从端到主端的力反馈，则称为单边遥操作系统。如果从机器人可以精确跟踪主机器人的位置，主机器人可以准确地向操作者呈现从机器人和环境间的接触力，那么称这个双边遥操作系统是透明的。此外，也可以根据主机器人和从机器人在机械结构、自由度及任务空间等方面是否相同，将机器人遥操作系统分为同构型遥操作系统(主机器人和从机器人相同)和异构型遥操作系统(主机器人和从机器人不同)两种[11-17]。
　　遥操作系统已经在各种各样人类本身无法直接到达或进入的环境中得到了广泛的应用。它既能应用于非常遥远的环境，如高科技的太空探索[18](月球、火星等的勘探、空间站的维护、卫星的修理等)和海底探索[19](深海打捞、海底资源勘查、水下电缆修理、海上钻井平台维护等)，又可应用于操作空间非常有局限性的环境[20](如人体内腔微创手术)；既能用于重型规模的环境[21](如建筑和林业中的挖掘)，也可以应用于非常危险的环境[22](如核废弃物管理、地雷排除等)；还可以应用于一些远程的民用环境[23](如远程医疗、远程康复训练等)。总之，遥操作系统通过结合人类的智慧和机器人的能力，极大地提高了任务的执行效率并降低了经济成本[24-26]。
　　例如，美国Intuitive Surgical公司(Sunnyvale，CA)研发的达芬奇手术系统[27]，外科医生可以通过控制台(用户界面)操控手术机器人，其可用于前列腺切除手术[28]、心脏瓣膜修复[29]、妇科手术[30]和许多其他手术中。图1-2为一个外科手术遥操作系统示意图[31]，外科医生对主机器人进行相应的操作，而从机器人按照相应的指令对病人进行手术。
　　图1-2 外科手术遥操作系统示意图
　　1.2 机器人遥操作系统的发展
　　遥操作系统的研究距今已经有70多年的历史[32，33]。而最早的遥操作系统可以追溯到20世纪40年代，Goertz和他的团队在Argonne国家实验室针对如何处理放射性极强的核废料的问题，研发了第一个机械的主从遥操作装置[2]。随后Goertz于1945年成功开发了世界上第一个主-从机器人遥操作系统，该遥操作系统由对称的主机器人和从机器人组成，人在安全的地方操作主机器人以远程地控制从机器人在危险的环境中工作[34]。1954年，Goertz又对主从遥操作装置进行了改进，采用电气伺服系统代替机械连杆部分。
　　为了研究时间延迟在空间遥操作中的影响，学者们也进行了大量实验[2]，Ferrell是这些研究的先驱者。1965年，Ferrell发现了时间延迟和操作者使用单边遥操作系统完成某项任务所需时间之间的定量关系[32]。后来，Ferrell研究了时间延迟对含力反馈遥操作系统的影响，发现1/10 s内的延迟会破坏系统的稳定性[35]。1967年，Ferrell和Sheridan采用监督控制方法以解决遥操作系统中时间延迟的问题[32]。在监督控制中，操作者在本地端发出高级命令，如“从A点移动到B点”或“打开/关闭夹持器”，同时具有一定程度自治的从机器人在远程端执行这些高级命令[32，36]。而遥操作在太空领域的一个突破是在1966年，第一个由美国国家航空航天局(NASA)研发的月球遥控装置Surveyor 1在月球表面着陆。1970年，第一个遥控月球车Lunokhod 1在月球表面着陆。1982年，美国Oak Ridge国家实验室建造了M2遥控机器人系统，该系统是第一个通过独立的主从电子设备促进力反馈的遥操作系统[1]。后来，NASA采用M2系统进行空间桁架组装作业。1990年，Bejczy和Kim研究了预测显示，以解决遥操作系统的时间延迟问题[32，37]。在预测显示中，操作者可以在远程系统动作之前看到系统的响应。到20世纪90年代中期，开始使用互联网作为遥操作系统的通信通道[32]。可变时延和数据丢包是使用互联网作为通信通道的遥操作的两个主要问题，这促使遥操作成为一个活跃的研究领域。
　　机器人技术实验系统——ROTEX是太空遥操作领域的另一个突破[1，38]。1993年，在哥伦比亚号航天飞机上进行了机器人技术实验以完成太空实验任务D2。这个由德国航空航天中心(DLR)研发的系统可以用在不同的操作模式中，如离线编程模式和在线遥操作模式，并用于执行一些典型的任务，如组装桁架结构和捕捉漂浮物体等。同年，NASA将遥操作机械手FTS系统和DTF-1系统载入了航天飞机中[39]。而在1992～1993年，米兰遥机器人实验室和罗马大学外科系做了三次关于远程手术的实验[40]。到1995年，澳大利亚成功建立了“Australian Telerobot On the Web”网上机器人。随后，日本国家空间发展署(NASDA)也于1997年发射了ETS-Ⅶ型装载着空间机器人的卫星[41]。1999年，欧洲空间局(ESA)将遥操作机器人系统JERICO载入俄罗斯的和平号空间站内。加拿大MD Robotics公司也设计出了长3.5 m、重量超过1.5 t的灵巧操作器Dexter机器人，用于“哈勃”太空望远镜维修工作的研究。挪威SINTEF研究基金会的波尔 利尔杰贝克等成功研制了一种能够像蛇一样灵活移动的消防机器人，消防人员可对消防机器人实施远距离遥控[42]。2002年，美国加州大学针对中风病人采用了机器人辅助的遥康复系统，该系统基于web技术，采用一个具有力反馈的操纵杆，可支持中风病人独立地进行康复运动[43]。2003年，美国先后发射的勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)巡视器也采用了遥操作技术，勇气号和机遇号的着陆区域相距约9600 km，分布于火星相反的两侧[44]。
　　而随着20世纪80～90年代计算机的日益发展，医疗领域也开始使用遥操作系统。2001年，医疗领域的遥操作取得了重大发展，成功地完成了第一个跨大西洋远程手术——Lindbergh手术[1，45]。在这个微创远程手术中，美国纽约的一名外科医生使用ZEUS遥控手术系统将位于法国斯特拉斯堡的一名病人的胆囊切除。2010年，英国华裔医生古拉姆 安德烈 吴通过远程遥操作机械臂成功实施了全球首例医治心律不齐的心脏手术。表1-1总结了遥操作在历史上的一些重大事件。
　　表1-1 遥操作在历史上的重大事件
　　经过70多年的发展，在国外出现了众多的遥操作学术研究机构。具有代表性的与遥操作相关的高校及学术研究机构主要有：哈佛大学、麻省理工学院、伊利诺伊大学香槟分校、南加州大学、阿尔伯塔大学、西澳大利亚大学、瑞士联邦理工学院、日本丰田工业大学、韩国科学技术院等。
　　20世纪90年代以来，在国家自然科学基金委员会、“863计划”、“973计划”等相关项目的资助下，中国国内众多研究机构也开始对遥操作技术进行研究。特别是进入“十一五”期间，我国加大了对机器人遥操作技术的支持力度。2003年，中国人民解放军海军总医院神经外科中心与沈阳医学院附属中心医院联合完成了一例远程遥控机器人立体定向神经外科手术。2006年，北京专家通过互联网远程遥控机器人在延安大学附属医院成功地实施了首例遥操作胫骨髓内钉手术。在我国，遥操作技术也是太空探测的关键技术之一。2013年12月，万众瞩目的“嫦娥三号”首次实现了对月面探测器的遥操作，技术人员通过月球车手动驾驶系统，应用立体显示技术，实现了人在回路进行控制的遥操作环境，对着陆器及月球车的工作状态进行全程控制和监视。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室主任刘宏在“2015国家机器人论坛”上指出：空间机器人的操作已演变成地面“主从遥操作”[46]。2016年3月，国家三部委印发了《机器人产业发展规划(2016-2020年)》，重点发展十大机器人，其中人机协作机器人、消防救援机器人和手术机器人等都将需要用到遥操作系统的关键技术。国家国防科技工业局总工程师、国家航天局秘书长田玉龙在i-SAIRAS 2016国际研讨会议上展现了未来空间机器人发展的路线图，我国将在空间在轨服务机器人、月球与深空探测机器人、空间环境治理机器人等领域开展一系列共性和专业关键技术攻关工作。
　　与此同时，国内也涌现出诸多杰出的高校及研究机构，如东南大学、清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、华中科技大学、国防科技大学、吉林大学、浙江大学、上海交通大学、中国科学技术大学、天津大学、燕山大学及中国科学院等。此外，很多国际著名的会议和期刊，如IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems、World Haptics Conference、IEEE International Conference on Robotics and Automation、IEEE International Conference on Technologies for Practical Robot Applications、Automatica、IEEE Transactions on Haptics，IEEE Transactions on Control of Network Systems、Robotics and Autonomous Systems、IEEE Transactions on Robotics，Journal of Robotic Systems、Advanced Robotics、Robotica、International Journal of Robotics Research、Journal of Intelligent and Robotic Systems、IEEE Transactions on Cybernetics等，以及国内著名期刊如《自动化学报》《控制理论与应用》《控制与决策》《机器人》等也都刊登了相当数量的机器人遥操作系统控制技术方面的文章。
　　1.3 机器人遥操作系统的关