王林 白軍影

摘要：隨著科技的進步和發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)的壯大和進步，機器人的遙操作系統(tǒng)作為一門綜合學(xué)科，也在不斷發(fā)展。隨著80 年代左右計算機技術(shù)的高速發(fā)展，計算機技術(shù)不斷地逐步應(yīng)用到遙操作系統(tǒng)中。計算機技術(shù)作為連接遙操作和其控制算法的關(guān)鍵紐帶，使一些控制算法能夠在這個平臺上實現(xiàn)。隨著數(shù)字化的到來，盡管在現(xiàn)在看來遙操作技術(shù)在研究領(lǐng)域中可以說已經(jīng)取得了階段性的成果，但是在未來更深層級的發(fā)展道路上依然還是任重道遠，因此也存在著無窮的潛力和更廣闊的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：遙操作;網(wǎng)絡(luò)化;數(shù)字化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）04-0012-01

0 引言

進入20世紀以來，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展進步，現(xiàn)代的科技也在日益進步，人們的活動的區(qū)域和研究的領(lǐng)變得越來越大，尤其是對未知領(lǐng)域探索的熱度也是水漲船高。但與此同時，對于一些危險的環(huán)境，比如深海探測、核廢料處理、遠空探索、遠程醫(yī)療等等[1]，傳統(tǒng)的機械式設(shè)備已經(jīng)很難滿足人們的工作和探索的需求了。也正是由此原因，才會使得基于遠距離操控原理的遙操作得到關(guān)注，同時也很好地解決了這個問題。

1 遙操作系統(tǒng)的源頭

不得不說，遙操作系統(tǒng)的發(fā)展也經(jīng)歷了幾個階段。首先，在1945年，美國的Argonne國家實驗室（ANL）研制了第一個機械手，而這第一個機械手的作用是解決原子能領(lǐng)域的有關(guān)核放射物體的抓取和對于核肥料的處理的相關(guān)問題[2]。隨后過了幾年，在1948 年，世界上第一個采用了兩個完全對稱的主從機械臂的方式構(gòu)成的遙操作系統(tǒng)橫空出世了，這時操作者已經(jīng)可以對主機械臂進行控制，而從機械臂也可以跟隨者主機械臂運動，進而去執(zhí)行對人類有危險的任務(wù)。而隨著時間的流逝，在1954年，Geortz經(jīng)過不懈的努力終于研發(fā)出了第一個帶有伺服反饋的機電遙操作系統(tǒng)，這個操作系統(tǒng)主要是為了對車輛進行控制，在當時這個系統(tǒng)真的改善了操作性能[3]。在那之后又基于動力學(xué)與運動學(xué)的角度有人使用并且引入了雙邊控制的方法，這個方法使得讓人手利用操作桿來進行遠距離操作的夢想成為了現(xiàn)實，這一進步在很大的程度上不僅僅是減輕了操作者的任務(wù)量，同時也減少了危險性。之后隨著80年代的計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機技術(shù)也開始被人們重視研究并逐步應(yīng)用到了遙操作的系統(tǒng)中，計算機技術(shù)也漸漸開始作為連接遙操作和其控制算法的紐帶，使得一些控制算法能夠在這個平臺上實現(xiàn)并且付諸于實際應(yīng)用。而這也使得遙操作系統(tǒng)的性能發(fā)生了根本性的本質(zhì)變化，其應(yīng)用領(lǐng)域也開始越來越廣[4-5]。網(wǎng)絡(luò)化遙操作系統(tǒng)也逐漸成為國際上的主流研究方向之一。

2 遙操作系統(tǒng)的構(gòu)成

接下來先簡單的介紹一下要操作系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架。如圖1所示，正規(guī)的遙操作系統(tǒng)主要由五個部分組成。這五個組成部分分別為人類操作者（operator）、主機器人（master）、信息通訊網(wǎng)絡(luò)（communication channel）、從機器人（slave）和外界環(huán)境（environment）。其中人類操作者即為人類可以控制的主力臂，可以由自己施加力的大小來控制和改變;主機器人又稱為主力臂，即為主機械臂，即人手直接控制的。信息通訊網(wǎng)絡(luò)即為傳送主力臂與從力臂之前信息得中間樞紐，一般為網(wǎng)絡(luò)，也因此會存在時延等不確定性因素。從機器人即為從機械臂，也就是人手遠程控制的那個力臂，即為了完成特定任務(wù)存在于危險環(huán)境下的那個力臂。外界環(huán)境即為從力臂所處的特定環(huán)境，一般具有一定的危險性或者距離性，在特定場景和時間下人類無所直接或者間接接近的環(huán)境。

3 網(wǎng)絡(luò)化遙操作的性能分析

接下來介紹一下網(wǎng)絡(luò)化的一些優(yōu)勢和優(yōu)點。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)化對遙操作系統(tǒng)進行控制，最顯著的幾個優(yōu)點如下：①成本下降;②減少系統(tǒng)配線;③實驗環(huán)境更加安全方便。與此同時，具有反饋控制通信網(wǎng)絡(luò)的引入給網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)增加了許多新的挑戰(zhàn)，尤其是使其分析和處理相關(guān)的問題變得更加的困難。因為數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中，會不可避免的出現(xiàn)時延的現(xiàn)象，這是網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)下難以避免的問題。

除此之外，在整個的遙操作系統(tǒng)控制過程中，有兩個重要的指標：一是穩(wěn)定性，二是透明性。其中穩(wěn)定性是整個遙操作系統(tǒng)控制的前提，只有一個穩(wěn)定的系統(tǒng)才能正常的工作。而透明性則是指的用戶的操作體驗。從端機械手臂可以準確的追蹤主端機械手臂的運動軌跡，同時將從端的環(huán)境信息準確傳遞給用戶，如果碰到了阻礙時用戶是否可以感受到了相應(yīng)的阻力，這種情況下可以是主端用戶“身臨其境”的感受到從機械臂的信息就是遙操作系統(tǒng)控制的另一個性能指標。但是，在實際真實的的情況下在遙操作系統(tǒng)的控制中，穩(wěn)定性和透明性往往是不能兼得的。

4 采樣系統(tǒng)的提出

為了解決上述出現(xiàn)的一些問題，將采樣控制放入遙操作系統(tǒng)中成為了一種方案。這么做是由于采樣控制系統(tǒng)是允許系統(tǒng)中連續(xù)信號和離散信號同時存在即共存的。因此，選擇了采樣控制系統(tǒng)，也就使得數(shù)學(xué)模型、分析和設(shè)計方法必會與傳統(tǒng)的連續(xù)控制系統(tǒng)不同，也與傳統(tǒng)的純離散系統(tǒng)不同。在人們熟知的想法中，按照常規(guī)的純離散系統(tǒng)和傳統(tǒng)的常規(guī)的連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計方法設(shè)計的控制器固然不能滿足采樣控制系統(tǒng)的要求，這些種種的上述情況都加大了對采樣控制系統(tǒng)研究的難度。數(shù)字設(shè)計方法是對采樣系統(tǒng)在離散時域內(nèi)運用離散控制理論對其進行分析和設(shè)計，與模擬設(shè)計方法不同，該方法將連續(xù)被控對象離散化，得到被控對象的近似模型，以離散化的被控對象為模型，設(shè)計離散控制器，利用了采樣系統(tǒng)和離散閉環(huán)系統(tǒng)的性能近似性這一特點。

5 結(jié)語

隨著信息化的不斷發(fā)展和進步，相信會有越來越多的方案被提出來解決這些已存在的問題，本文也只是簡單的介紹一下遙操作系統(tǒng)的大致概念和系統(tǒng)的構(gòu)成，同時也稍微提了一下遙操作系統(tǒng)采樣控制研究的一些內(nèi)容，有興趣的讀者可以自行進行查閱。

參考文獻

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