基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作研究

李凱+馬斌+劉信

摘要：遙操作機器人在核工業(yè)、電力、醫(yī)療、航天工業(yè)有著大量應(yīng)用，伴隨著網(wǎng)絡(luò)和機器人控制技術(shù)的飛速發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作研究成為當前機器人學科的一個前沿課題。互聯(lián)網(wǎng)的開放性、低成本、靈活性為機器人技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了廣闊空間。針對基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作的穩(wěn)定性、時變時延和數(shù)據(jù)包丟失的缺點，研究人員給出了不同的解決改善方案，其中包括控制理論與策略、人工智能、虛擬現(xiàn)實和協(xié)議分析與改進等技術(shù)方法，取得了一定成果，同時仍有很大改進空間。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；遙操作；穩(wěn)定性；透明性；時延

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0210-04

1 背景

1994年美國南加州大學的Mercury項目是基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作的首個實例，機器人Raiders被連接到互聯(lián)網(wǎng)上，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)控制界面通過鼠標控制機器人在盛滿沙子的容器中挖掘物品，在每一個動作結(jié)束后系統(tǒng)會反饋給用戶一張當前狀態(tài)的圖片[1]。同年，西澳大利亞大學的Kenneth Taylor發(fā)布了一個可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問的六自由度遙操作機械手臂機器人，用戶可以通過網(wǎng)頁發(fā)出控制請求來控制機械手臂堆砌放置在桌子上的小木塊[2]。隨后的Telegarden[3]、Xavier[4]等項目相繼接入互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以基于互聯(lián)網(wǎng)完成不同的任務(wù)操作。NASA的“WITS”項目“火星探測者”任務(wù)[5]，該項目開發(fā)了一個Web界面，用來控制在遙遠的星球上遙控車輛，使得科學家可以通過瀏覽器完成行星探測器的控制任務(wù)。2001年法國醫(yī)生雅克馬雷斯科帶領(lǐng)的醫(yī)療小組的“Zeus”機器人將遙操作技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療實踐[6]，在紐約對躺在法國斯特拉斯病床上68歲的病人進行了遠程手術(shù)，在此之后的更多實踐展示了基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作機器人的廣闊應(yīng)用前景。

評價一個遙操作系統(tǒng)性能的指標包括穩(wěn)定性，透明性等。對系統(tǒng)的穩(wěn)定性，研究人員提出多種控制理論策略，文獻[7]闡述了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的幾種主要方法，包括Lyapunov穩(wěn)定性、輸入輸出穩(wěn)定性、無源穩(wěn)定性和基于事件的穩(wěn)定性。決定系統(tǒng)透明性的關(guān)鍵因素是網(wǎng)絡(luò)時延，基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)的通信環(huán)境—互聯(lián)網(wǎng)—決定了時延測量及其預(yù)測的復雜性，網(wǎng)絡(luò)時延具有隨機性、不確定性。穩(wěn)定和降低時延的方法包括控制理論策略、協(xié)議分析與改進、時延預(yù)測補償、人工智能等技術(shù)方法。

在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)資源環(huán)境下，無論何種技術(shù)方法都無法突破通信帶寬時延的極限，而在機器人控制的主從端解決問題，采用人工智能的方法，給予遙操作機器人可調(diào)的自主性[7]，使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)[8]，優(yōu)化改進圖像處理技術(shù)[9]，為增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性開拓了新的方向。

由于基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)工作在開放的互聯(lián)網(wǎng)上，信息安全問題同樣是一個不容忽略的問題，盡管絕對的安全無法實現(xiàn)，一定程度的安全性可以通過密碼學和防火墻技術(shù)等來實現(xiàn)[10]。

2 系統(tǒng)性能分析

2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

力反饋被引入在臨場感實現(xiàn)中解決時延問題，系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題凸顯出來[11]。而時變時延更成為系統(tǒng)穩(wěn)定性的災(zāi)難[12]，由于機器人的非線性和強耦合，加上網(wǎng)絡(luò)時延的不確定變化，解決網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題仍然是困難重重[7]。

研究人員在研究和增強系統(tǒng)穩(wěn)定性中提出了以下解決方法和實踐：

Lyapunov穩(wěn)定性：文獻[19]提出了Lyapunov函數(shù)應(yīng)用于控制器設(shè)計，采用定號到定號模式的穩(wěn)定性分析方法。文獻[20]對Lyapunov函數(shù)做了進一步擴展系統(tǒng)的穩(wěn)定性判據(jù)不依賴于時變時滯的變化率，提出了一種定號到不定號模式的穩(wěn)定性分析方法。

輸入輸出穩(wěn)定性：在有限輸入-輸出反饋連接的框架下，將動力學系統(tǒng)的穩(wěn)定性概念引入，在時延變化范圍較小，即控制器增益大小可以確定的情況下，可以有效保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而，由于通訊通道快變時延的存在，輸入-輸出穩(wěn)定性難以具體給出控制器增益大小的上下界，這對控制器的設(shè)計來說相當保守[7]。

無源穩(wěn)定性：文獻[15]、[16]將散射理論應(yīng)用到力覺臨場感遙操作系統(tǒng)中，指出，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的環(huán)節(jié)在于通訊環(huán)節(jié)的時延造成了系統(tǒng)的有源性。從而構(gòu)造無源性的系統(tǒng)成為構(gòu)造穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是當時延變大時，系統(tǒng)性能下降。文獻[17]提出了基于有源阻抗匹配的無源控制算法，同時保證力覺臨場感和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻[18]從能量傳遞角度出發(fā)，提出了波變量的概念，并通過波變換的方法道出了一種無源控制算法。

基于事件的穩(wěn)定性[13-14]：時延、丟包和連接中斷集中缺陷都將導致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，尤其是在閉環(huán)系統(tǒng)中。在基于事件的遙操作系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)是漸進穩(wěn)定的，時間不作為系統(tǒng)的參考變量，選擇非時間參考變量，從而通信時延對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是，基于網(wǎng)絡(luò)的遙操作系統(tǒng)難以滿足漸進穩(wěn)定性，參考變量的存在也影響了系統(tǒng)控制的實時性[7]。

2.2 透明性

透明性是指在遙操作系統(tǒng)中，主端的操作者具有身臨其境的感受，如同直接操作從端設(shè)備。同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性很難實現(xiàn)。

在實踐中，完全透明的遙操作系統(tǒng)是無法實現(xiàn)的，所以一下三個問題顯得有必要[21]：什么程度的透明性是完成一系列遙操作任務(wù)所必需的、什么程度的透明性是可能實現(xiàn)的、什么樣的架構(gòu)和控制規(guī)則是實現(xiàn)最優(yōu)透明性所必需的。

解決系統(tǒng)透明性最早實現(xiàn)方法是采取“走一步，等一步”的策略，這種方法損害了系統(tǒng)的性能。其改進方案包括：位置-力規(guī)劃使得主端和從端力和位置信息一致，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和性能的前提下提高系統(tǒng)透明性[11]，該方案適用于時延較小的系統(tǒng)；采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供實時視覺和力覺反饋[22]，適用于時延較大的系統(tǒng)；文獻[23]提出了四通道方法系統(tǒng)在時延條件下的透明性，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；文獻[24]提出了利用前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立環(huán)境模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬從機械手，并用時間前向觀測器預(yù)測從機械手狀態(tài)，使得系統(tǒng)在位置環(huán)境模型位置的條件下穩(wěn)定，并獲得良好的透明性；文獻[25]將波變量方法與預(yù)測技術(shù)及四通道遙操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，在保證時延系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的透明性。

2.3 系統(tǒng)時延

遙操作系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時，多個節(jié)點共享同一網(wǎng)絡(luò)通道而引起的時延，稱為網(wǎng)絡(luò)時延?；诨ヂ?lián)網(wǎng)遙操作機器人由于一般使用互聯(lián)網(wǎng)，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸協(xié)議等因素的限制，其傳輸數(shù)據(jù)的時延大小呈現(xiàn)出不確定性和隨機性，嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而網(wǎng)絡(luò)時延時成為影響遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。

在基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)中時延構(gòu)成如以下公式所示：

Tr=Tp+（Ds+Dr）/v+Tc

式中Tp表示計算機處理請求時間，Tc表示連接初始化時間，Ds表示發(fā)送的數(shù)據(jù)量，Dr表示接收的數(shù)據(jù)量，v表示連接的傳輸速度。

1988年Raju指出時延造成了通信環(huán)境的有源性，從而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定[26]。在基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)中，系統(tǒng)時延具有不確定性、隨機性，分析和應(yīng)對這些因素將有助于優(yōu)化系統(tǒng)時延，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性。

前面提到研究人員從穩(wěn)定性和透明性角度使用不同的控制方法來降低時延對系統(tǒng)的影響。另外，部分研究人員從時延預(yù)測補償?shù)慕嵌葘r延進行研究。

2.4 數(shù)據(jù)包丟失

由于基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作基于TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)包傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸過程中擁塞控制機制會丟棄數(shù)據(jù)包，從而導致數(shù)據(jù)包的丟失。

首先可以從改進傳輸協(xié)議和改變數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)來應(yīng)對數(shù)據(jù)包的丟失問題。TCP協(xié)議具有自動重傳、數(shù)據(jù)包順序重排的特點，但是這種特性不適合遙操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸；而UDP協(xié)議不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，如何在TCP/IP協(xié)議簇基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)包的高效可靠傳輸是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性的重要基礎(chǔ)。

另外，在提高機器人局部自主性方面入手來解決數(shù)據(jù)包丟失問題[27]，即提高機器人局部自治能力，也是一種不錯的選擇。

3 關(guān)鍵問題研究

3.1 控制理論策略

遙操作系統(tǒng)的控制方式可分為直接控制、監(jiān)督控制、預(yù)測顯示控制、基于事件控制和無源性理論[28-29]。直接控制適用于時延小且穩(wěn)定的系統(tǒng)，當遙操作系統(tǒng)的主從端存在明顯的通訊時延時，最簡單的方法是直接控制，即“走一步，等一步”的方式，從而保證操作過程的穩(wěn)定性，但是這延長了遙操作任務(wù)的執(zhí)行時間，一定程度上降低了遙操作任務(wù)的執(zhí)行效率。

監(jiān)督控制的基本思想是將主端操作人員置于控制結(jié)構(gòu)閉環(huán)之外，從而使得系統(tǒng)無源性的到保障，主端發(fā)動指令，并隨時從端執(zhí)行進行監(jiān)督從而做出下一步?jīng)Q策，這對主端操作人員具有豐富的經(jīng)驗和知識基礎(chǔ)提出了較高要求，同時要求從端機器人具有人工智能。目前監(jiān)督控制仍是解決時延問題的主要手段，特別是在空間和深海作業(yè)中存在長達幾秒或者幾十秒時延的情況下，仍然是最好的方法[28]。若結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)預(yù)測顯示的方法，監(jiān)督控制可以取得更好的效果。隨著人工智能的發(fā)展，可以不斷加強機器人作業(yè)系統(tǒng)的自主決策能力，監(jiān)督控制所需有人的參與將越來越少[27]。

預(yù)測顯示控制是將控制指令發(fā)給遠端之前，現(xiàn)在本地進行模擬預(yù)演指令執(zhí)行效果，并且遠端也將實際執(zhí)行結(jié)果反饋回來，與預(yù)測結(jié)果進行比對校正，從而動作執(zhí)行的可靠性和正確性，同時維護了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性。預(yù)測顯示以及虛擬現(xiàn)實等技術(shù)方法在解決時延問題上起到重要作用，但對于復雜的未知作業(yè)環(huán)境，就不能夠精確地建立其動力學模型，往往需要結(jié)合其他方法。

基于事件控制[13-14，30]：上述兩種方法都是采用閉環(huán)回路來回避時延環(huán)節(jié)達到減小通訊時延的影響。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)使用時間作為控制輸入、輸出信號的參考變量，基于互聯(lián)網(wǎng)的遙操作系統(tǒng)存在的時變時延使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性難以保證，因此以時間作為參考就很難保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用系統(tǒng)中發(fā)生的事件來規(guī)劃控制，選取與時間無關(guān)的參考變量的方法可以有效地回避時延問題，該方法因此稱為基于事件的控制方法。

3.2 協(xié)議分析與改進

為了解決時變時延問題，計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究人員給出了協(xié)議分析與改進的方法來預(yù)測時延、降低時延，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

在應(yīng)用層，文獻[31]提出了在UDP協(xié)議上傳輸TCP服務(wù)的TCP OVER UDP技術(shù)，在應(yīng)用層實現(xiàn)了該技術(shù)，并將其應(yīng)用到遙操作機器人系統(tǒng)的視頻傳輸中，在降低視頻數(shù)據(jù)傳輸丟包率和傳輸時延兩個方面具有良好的性能。

在網(wǎng)絡(luò)層，文獻[32]提出了一種基于時延的自適應(yīng)多QoS路由算法，它在滿足帶寬和時延波動約束條件下，直接利用前一周期的時延信息來更新路由表，以作為當前尋找路徑的依據(jù)。文獻[52]提出一種基于候選路由庫的遺傳算法，討論了帶時延及時延抖動的組播路由優(yōu)化問題，給出了該問題的數(shù)學模型。

在傳輸層，研究人員提出了較多改進方案，有代表性的文獻[33]提出的有選擇交替使用TCP和UDP傳輸協(xié)議的方法，文獻[34-35]提出的基于多連接的時延控制方案，文獻[36]提出的多鏈路共享令牌緩沖池流量調(diào)度模型等，不同的運輸層協(xié)議改進方案被提出[37-38]。

3.3 時延預(yù)測

由于在控制機器人時，主端傳輸控制操作命令給從端，操作命令到達時，由系統(tǒng)進行編譯、解釋和命令分解，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給主端。在這個過程中，可以考慮利用預(yù)測補償技術(shù)，在某種程度上，彌補由于延時帶來的運動失控或作業(yè)質(zhì)量達不到要求等方面的問題。

文獻[39]提出了用Smith預(yù)估器預(yù)測從手狀態(tài)的思想，在精確知道從手和環(huán)境模型的前提下，主手端用PD控制器進行調(diào)節(jié)，可顯著提高系統(tǒng)性能。文獻[40]對Smith預(yù)估器進行了修正，并結(jié)合波變量方法對系統(tǒng)的狀態(tài)進行預(yù)測，使得時變時延系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定。

文獻[41]提出了虛擬時延的概念，其核心思想史將主手端的信息加上時間戳，以固定周期發(fā)送到從手端，在從手端加上一個時延緩沖器，使得系統(tǒng)時延為定值，從而可以用定常時延的方法來對系統(tǒng)進行分析和設(shè)計。

文獻[30]提出了通過在主端對給定信息加入時間標簽獲得過去的系統(tǒng)回路時延，采用多元線性回歸算法，預(yù)測下一時刻系統(tǒng)回路時延；后又提出了一種新的基于事件的預(yù)測控制策略。

文獻[42]人提出了通信擾動觀測器時延補償?shù)姆椒?，該方法將由時延導致的錯誤稱為干擾扭矩，通過觀測器來觀測并進行補償，在應(yīng)對時變時延時比Smith預(yù)估補償器具有更有的性能。

同時部分研究人員針對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于遙操作系統(tǒng)進行了研究，分別提出了AR、RBF、Elman、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及其改進方法的應(yīng)用[43-50]。

3.4 人工智能

隨著機器人智能技術(shù)的發(fā)展，從機器人局部自主性方面入手來解決數(shù)據(jù)包丟失的問題。即提高遠地機器人的自治能力，并在遠地建立緩沖器，將時延參數(shù)和數(shù)據(jù)信號以文件形式存儲起來。當出現(xiàn)異常情況導致數(shù)據(jù)包丟失時，智能機器人可以自動讀取上一次接收的數(shù)據(jù)，或在上一次的設(shè)置點進行幅度很小的安全的運動。文獻[27]提出了機器人的可調(diào)整自主性（Adjustable autonomy， AA），通過改善人機交互來補償網(wǎng)絡(luò)通訊存在的不確定延時對系統(tǒng)性能的影響。機器人的自主性根據(jù)當前形勢和環(huán)境動態(tài)調(diào)整，操作者和機器人以適合網(wǎng)絡(luò)狀況和任務(wù)需要的模式進行交互和合作， 使得整個系統(tǒng)的效率大大提高。

采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)造臨場感的人機交互界面，虛擬現(xiàn)實的作用主要體現(xiàn)在實現(xiàn)預(yù)測顯示和實現(xiàn)臨場感監(jiān)視兩個方面。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)用于遙操作機器人系統(tǒng)克服通信時延以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可操作性得以同時實現(xiàn)。文獻[51]提出了具有虛擬力覺導引功能的機器人遙操作系統(tǒng)的控制方法。文獻[52]提出在時延較大時，采用基于虛擬預(yù)測環(huán)境的機器人遙操作技術(shù)，在本地端建立遙環(huán)境和機器人的模型，形成控制回路來抵消大時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性和操作特性的影響。

3.5 圖像處理

由于基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)中，從端反饋給主端的數(shù)據(jù)大部分為圖像視頻數(shù)據(jù)，如何在保證反饋效果的條件下降低圖像視屏數(shù)據(jù)量是一個值得研究的問題。文獻[9]提出一種分層碼率控制的帶寬自適應(yīng)策略，通過將視頻編碼、網(wǎng)絡(luò)傳輸、后端解碼等有機結(jié)合起來，構(gòu)建了一種容易控制和管理的視覺傳輸模型。

3.6 信息安全

由于基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)工作在開放的互聯(lián)網(wǎng)上，信息安全問題同樣是一個不容忽略的問題，盡管絕對的安全不可能實現(xiàn)，一定程度的安全性可以通過密碼學和防火墻技術(shù)等來實現(xiàn)。如何建立完善的遙操作安全體系結(jié)構(gòu)的研究還沒有能夠得到研究人員的重視。在更多的遙操作系統(tǒng)應(yīng)用于實踐情況下，基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作的網(wǎng)絡(luò)信息安全問題值得思考。

4 結(jié)束語

本文從系統(tǒng)性能分析，當前面臨的關(guān)鍵問題兩個方面對基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)的研究進行了分析總結(jié)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)的研究是一個極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，具有重要的研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。

在今后的研究中進一步改進和優(yōu)化基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性仍然具有很大潛力。通過改進網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，采用多連接并加入優(yōu)先級約束，建立虛擬現(xiàn)實環(huán)境，為機器人賦予人工智能并建立專家系統(tǒng)將會進一步促進基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)的性能。

同時進一步改進神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)中的應(yīng)用模型，建立穩(wěn)定透明的系統(tǒng)模型，并采用預(yù)估控制方法，進一步改進Smith預(yù)估模型，也會使得系統(tǒng)的性能提高。而如何將基于互聯(lián)網(wǎng)遙操作系統(tǒng)應(yīng)用到我國信息化建設(shè)中，比如在智能電網(wǎng)的建設(shè)中，使得該領(lǐng)域研究更具應(yīng)用實踐價值，值得研究人員的思考與實踐。

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