[01009938]基于远程网络的机器人遥操作技术

该项目采用预测补偿技术开发测试－控制算法，通过Internet(CERNET)异地(北京－天津)操纵机器人，并开发WWW人机交互界面，显示机器人的当前状态图像，实现远程遥控机器人操作。根据测试－控制算法，先判明网络的即时传输速度，然后在机器人控制命令中加入对时间延迟的处理，得到对机器人较好的控制。为解决不确定时延带来的问题，该项目使用软件实时测量网络传输延迟，采用预测补偿技术开发测试控制算法。1.时延测试实验时间延迟的计算是要得到一个数据包从一个主机到另一个主机的传输时间。课题组选择了跨越天津、北京两地，分别位于清华大学和南开大学校园网上的主机间进行测试。Internet通信的标准工具是基于TCP，UDP和ICMP协议的。根据这三种协议的特点，课题组采用了基于ICMP的工具测量往返时间延迟，用Visual C++ 6.0 编了一个功能类似Ping的程序，使用Raw Winsock库函数，对IP数据包进行分析，测试网络延迟及丢包率的情况。2.补偿预测及图象显示反馈系统机器人控制系统结构主要可划分为三个子系统：远程客户机、本地服务器和多机器人控制器。其中远程客户机负责图象的解码、图形仿真预览和实时图形叠加、传感信息的分析和可视化、系统的管理和定制接口以及提供遥操作的控制和编程接口，运行于Windows98操作系统下；本地服务器负责图象的采集和压缩编码、提供与远程客户机和多机器人控制器的双向通讯，运行于WindowsNT操作系统下；多机器人控制器负责多机器人环境的实时控制、传感信息的获取与分析，运行在DOS操作系统下。2.1补偿算法Internet上的主要传输协议有TCP和UDP，TCP协议是面向连接的协议，它可以提供可靠的传输服务，保证数据包传输时的连续性和正确性；与之相对的是面向非连接的UDP协议。UDP协议传输速度快，但传输可靠性不够好。可以看出，这两个协议的优劣正好互补。在机器人遥操作系统中，通过网络传输数据主要有两类：一类是数据量较大的图像数据。这类数据对可靠性要求不太高。另一类是控制命令，这类数据要求传输准确，不能有差错。基于这种情况，课题组选择了TCP加UDP混合协议，使用UDP协议传输图像数据，使用TCP协议传输控制命令数据。由于网络流量的差别较大，不能时刻保证使用TCP协议传输的控制命令及时到达目的地，因此课题组采用了TCP多路并发算法，其基本思想是：在程序设计中，建立多个TCP连接；每个连接用一个线程控制；一个时刻只用一个通路传数据。系统运行时，一边传输，一边测试，根据时延测试数据及时发现阻塞并切换通路，保证数据传输的实时性。2.2图像反馈显示系统在机器人遥操作系统中，课题组开发了一个图像反馈显示系统，用于显示从现场采集的图像。远端操作者借助于实际环境的精确模型，针对不同的在线装配任务，插入不同的操作技巧序列，从而生成一个任务序列脚本，经仿真预览验证正确后，借助于WinSock工具以TCP方式从Internet发往服务器，同时为了克服时间延时对操作者的影响，远程客户端采用了图像实时叠加技术即提供一个虚拟机器人环境，并根据任务序列脚本立即产生动作。服务器接到此数据后经串行口转发至上位机，经上位机规划和协调后，用逆运动学反解出各部件的关节角，然后每4ms经FPGA高速通讯板发至下位机，由下位机控制机器人的本体实现实际的装配操作。该项目所进行的工作属基础性应用技术研究，主要着重在算法及控制上，所用的技术较成熟，具体的技术指标要依赖于所使用的网络带宽的大小，网络带宽较宽，则数据的实时传输时间就短，延迟小，反之，延迟较大。该项目可以采取合作开发和技术服务的方式实施成果转化。