李文皓，張珩，馮冠華,*

1. 中國科學(xué)院 力學(xué)研究所，北京 100190 2. 中國科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049

在實(shí)現(xiàn)空間機(jī)器人完全自主作業(yè)前，遙操作仍是遠(yuǎn)程操控空間機(jī)器人的最重要方式之一[1]。共享遙操作被認(rèn)為是拓展空間復(fù)雜任務(wù)、提升空間機(jī)器人遙操作可靠性的有效手段[2]。區(qū)別于單操作員單機(jī)器人(Single-Master/Single-Slave，SM/SS)遙操作的“共享模式”(遙操作員的操作指令與現(xiàn)場閉環(huán)的操作指令進(jìn)行共享、分配和融合，構(gòu)成遙操作的融合指令)，共享遙操作是指遙操作員與遙操作員之間、遙操作決策者與遙操作決策者之間、遠(yuǎn)端現(xiàn)場機(jī)器人與機(jī)器人之間的共享，是通過多個(gè)操作端和多個(gè)遠(yuǎn)端現(xiàn)場的閉環(huán)機(jī)器人、多個(gè)操作員與多個(gè)遠(yuǎn)端現(xiàn)場環(huán)境之間的共享[3-4]。共享遙操作技術(shù)提升遙操作可靠性效用的原因有：① 提供操作端的冗余和備份，提高大系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；② 提供不同地域的遠(yuǎn)程在線策劃能力，提高在線任務(wù)決策可靠性；③ 提供遙操作人員間的集同決策和協(xié)同操作能力，提升復(fù)雜系統(tǒng)復(fù)雜任務(wù)和多操作對象的協(xié)同操作可靠性。

時(shí)延環(huán)境是遙操作區(qū)別于現(xiàn)場操作的主要特點(diǎn)之一[5]。在SM/SS遙操作中，時(shí)延使操作員對現(xiàn)場情況的掌握以及操作意圖在現(xiàn)場的實(shí)施滯后，從而影響操作穩(wěn)定性。對于共享遙操作，特別是多操作員多機(jī)器人(Multi-Master/Multi-Slave，MM/MS)共享遙操作，時(shí)延環(huán)境將帶來若干新問題[6-8]。① 復(fù)雜操作：MM/MS共享遙操作中，任一操作端進(jìn)行操作時(shí)，對本操作端的操作對象是改變其狀態(tài)，而對其他操作端是改變其操作對象所在的操作環(huán)境；而且，在沒有主動(dòng)交互的條件下，本操作端幾乎無法預(yù)報(bào)被非本操作端操控的對象行為，同時(shí)時(shí)延影響將延遲操作員對這一類環(huán)境變化的感知。② 復(fù)雜時(shí)延：各操作端處于異地時(shí)，時(shí)延存在于現(xiàn)場與各個(gè)操作端間(即遙操作回路時(shí)延，定義為上行時(shí)延τu和下行時(shí)延τd之和，即τu+τd)，同時(shí)也存在于操作端與操作端間(即共享交互時(shí)延，定義為τc)，在不確定時(shí)延環(huán)境下，操作端數(shù)量、各操作端的共享交互時(shí)延與遙操作回路時(shí)延的不同比值(定義時(shí)延比為Rτ=τc/(τu+τd))等復(fù)雜情況，給共享遙操作中的操作、協(xié)調(diào)和交互策略的制定與選擇帶來了挑戰(zhàn)。③ 復(fù)雜系統(tǒng)：不同機(jī)器人對象的操作端設(shè)計(jì)差異性問題，會(huì)加劇共享協(xié)調(diào)操作策略的制定難度。

1 研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)90年代，研究者們逐步完成了從傳統(tǒng)的SM/SS到共享遙操作系統(tǒng)的研究。Goldberg等[9]于1994年研制了世界上第一個(gè)基于Web瀏覽器的遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許多個(gè)在線用戶同時(shí)查看狀態(tài)圖片信息，但單次僅允許一名用戶操作機(jī)器人。Taylor等[10]于1994年以類似的方法建立基于Web瀏覽器的遙操作系統(tǒng)，第一次實(shí)現(xiàn)6自由度工業(yè)機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作、抓取和搬動(dòng)工作臺上的物品。上述2個(gè)系統(tǒng)均受到時(shí)延和分時(shí)吞吐量的困擾[11]。Kheddar等[12]于1996年首次完成了單個(gè)操作者通過一個(gè)虛擬環(huán)境，同時(shí)操作4個(gè)具有不同動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、分布于4個(gè)位置(包括美國、法國和日本)的機(jī)械臂，執(zhí)行相同的拼圖任務(wù)，但未考慮時(shí)延問題。Xi等[13]于1996年提出了一種新型的基于事件智能控制方法和Internet多機(jī)器人協(xié)調(diào)遙操作建模方法，以解決MM/MS遙操作系統(tǒng)中的不確定時(shí)延問題。Ohba等[14]于1999年給出了影響MM/MS共享遙操作系統(tǒng)應(yīng)用性能的幾個(gè)關(guān)鍵約束，實(shí)驗(yàn)中通訊時(shí)延造成的從操作手運(yùn)動(dòng)的不確定性，他們通過改變從機(jī)器人在主操作手端顯示時(shí)的厚度來彌補(bǔ)，但是犧牲了從操作手可進(jìn)入的有效區(qū)域，使其運(yùn)動(dòng)空間受限，操作精度降低。Goldberg等[11]于2000年首次建立了基于Internet的多操作員單機(jī)器人(Multi-Master/Single-Slave，MM/SS)共享控制系統(tǒng)，研究了多操作員之間的協(xié)調(diào)和協(xié)作等控制問題。Chong等[15]于2000年研究了基于Internet的MM/MS協(xié)作技術(shù)，考慮了多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)干涉的協(xié)調(diào)與合作控制問題；同年，他們首次研究了MM/MS共享遙操作系統(tǒng)中時(shí)延處理問題[16]，通過建立分布于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室(日本的MEL(Melbourne Robotics Laboratory)和TMSL(Toshiba Mechanical System Laboratory))間的雙操作員雙機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，研究多機(jī)器人協(xié)作控制技術(shù)，提出了多種避免多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)沖突的協(xié)調(diào)控制方法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。在Xi等[13]的工作基礎(chǔ)上，Lo等[17]于2004年提出一種基于事件的分布式控制方法，用于基于Internet的實(shí)時(shí)力反饋異地MM/MS遙操作系統(tǒng)，以解決由于時(shí)延造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定性等問題，提高實(shí)時(shí)效率，最終通過位于中國內(nèi)地、中國香港及美國三地的雙操作員雙機(jī)器人遙操作系統(tǒng)的多次實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了提出方法的有效性及其性能。Sirouspour[18]于2005年提出一種MM/MS遙操作多邊控制系統(tǒng)框架，該架構(gòu)包括了所有操作端和操作對象的力和位置信息流，同時(shí)引入了一種μ綜合控制方法，用于保證多機(jī)器人之間和多操作員與環(huán)境動(dòng)力學(xué)間的動(dòng)力學(xué)交互魯棒穩(wěn)定性，最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。Khademian和Hashtrudi-Zaad[19]于2007年針對雙操作員遙操作系統(tǒng)，提出了一種四通道多邊共享控制結(jié)構(gòu)，引入一個(gè)優(yōu)勢因子，使該控制結(jié)構(gòu)可保證兩個(gè)操作員和從端及其環(huán)境間的交互，調(diào)節(jié)操作員的控制權(quán)重，并給出/驗(yàn)證了多種性能指標(biāo)，用于分析雙操作員遙操作系統(tǒng)的透明性；于2011年[20]針對雙操作員遙操作系統(tǒng)，又提出了一種六通道多邊共享控制結(jié)構(gòu)，通過一個(gè)雙操作員單機(jī)器人觸覺模擬試驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)并測試了控制器；于2013年[21]提出了一種魯棒穩(wěn)定性分析框架，用于多主多從遙操作系統(tǒng)的無條件穩(wěn)定性分析，并在基于多邊共享控制結(jié)構(gòu)的雙操作員遙操作系統(tǒng)上驗(yàn)證了該框架。Passenberg等[22]于2010年提出一種基于遠(yuǎn)端環(huán)境先驗(yàn)的模型介導(dǎo)MM/MS遙操作，在操作端渲染出遠(yuǎn)端環(huán)境的估計(jì)模型，替代傳統(tǒng)的力/速度信息流的傳輸，同時(shí)理論分析了其魯棒性和準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了實(shí)際效率。Panzirsch等[23]于2015年給出一個(gè)MM/SS多邊觸覺遙操作系統(tǒng)，通過虛擬抓取點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系下的任務(wù)分配，簡化其執(zhí)行任務(wù)，引入時(shí)域無源性方法，保證時(shí)延下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2017年，Panzirsch等[24]又提出一種觸覺意圖增強(qiáng)的控制方法，每個(gè)操作者的力反饋會(huì)由于其他操作者的操作意圖信息而增強(qiáng)，通過國際空間站與地面兩個(gè)地點(diǎn)的異地MM/MS遙操作，驗(yàn)證了提出的協(xié)作機(jī)制對通信信道具有較強(qiáng)的魯棒性，但是操作意圖增強(qiáng)方法對不同任務(wù)的通用性和適應(yīng)性有待進(jìn)一步分析研究。

國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的黃攀峰教授團(tuán)隊(duì)[3,7,25]于2016年提出了一種面向空間遙操作的非對稱雙人共享控制方法，建立了時(shí)延影響下的非對稱雙主單從共享控制系統(tǒng)模型，仿真和實(shí)驗(yàn)表明非對稱雙人共享控制具有較好的透明性和抗時(shí)延影響特性；于2017年提出了一種無力-力矩和加速度傳感器雙臂遙操作系統(tǒng)的預(yù)測控制方法，在控制結(jié)構(gòu)中建立了位置預(yù)測器和力預(yù)測器，用于估計(jì)隨機(jī)時(shí)延下的遠(yuǎn)端位置狀態(tài)、接觸力和動(dòng)力學(xué)不確定項(xiàng)，并提出了一種自適應(yīng)模糊控制策略，估計(jì)和抑制不確定項(xiàng)以保證系統(tǒng)位置的同步誤差收斂到零，估計(jì)力接近實(shí)際值，最終借助半物理平臺進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；于2018年提出了一種雙臂協(xié)同遙操作共享控制方法，方法結(jié)合四通道控制結(jié)構(gòu)和共享控制，通過主從端控制器中優(yōu)勢因子的引入與調(diào)節(jié)，改變主端的控制權(quán)重，主端可感受協(xié)作端的操作意圖，提高了操作精度和效率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉宏教授團(tuán)隊(duì)[26-28]于2008年建立了衛(wèi)星在軌自維護(hù)系統(tǒng)的地面遙操作平臺，遠(yuǎn)端為一個(gè)四自由度機(jī)器人和靈巧手的臂/手系統(tǒng)，采用3D圖形預(yù)測仿真技術(shù)和虛擬夾具法，在大時(shí)延及變時(shí)延(約7 s)條件下，實(shí)現(xiàn)了武漢遙操作哈爾濱的自維護(hù)機(jī)器人臂/手系統(tǒng)，成功地完成了打開太陽能帆板的典型衛(wèi)星在軌維護(hù)任務(wù)；于2018年建立了由雙臂、雙手、頭部等構(gòu)成的機(jī)器人航天員系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人航天員的自主柔順操作、航天員在軌或地面遙操作等控制，進(jìn)行了驗(yàn)證性演示和模擬維修試驗(yàn)，并在天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室部署了單臂手系統(tǒng)，完成了多種人機(jī)協(xié)同在軌遙操作試驗(yàn)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的趙杰教授團(tuán)隊(duì)[29-30]于2005年提出了“虛擬向?qū)А备拍睿鉀Q了MM/MS遙操作任務(wù)執(zhí)行過程中操作員操作意圖不可預(yù)測的問題；于2011年建立了基于虛擬環(huán)境的MM/MS協(xié)作遙操作系統(tǒng)，研究了分布式虛擬環(huán)境的一致性控制問題，解決了遙操作系統(tǒng)一致性控制中的時(shí)鐘同步、滯后時(shí)間、狀態(tài)修復(fù)等問題。

從現(xiàn)有的國內(nèi)外研究情況來看，復(fù)雜大時(shí)延下的共享遙操作的理論和實(shí)驗(yàn)研究尚屬于初步開展階段，研究成果還未形成系統(tǒng)性結(jié)論?？紤]到空間復(fù)雜任務(wù)和復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用，未來遙操作必然由單對單向群體性發(fā)展。不同地、不同時(shí)、不同對象以及可擴(kuò)展的群體操作特點(diǎn)，要求隨地(意味著不同時(shí)延)隨時(shí)(意味著操作端不同數(shù)量)條件下的協(xié)同共享操作，對復(fù)雜群體操作的協(xié)調(diào)、調(diào)度、動(dòng)態(tài)構(gòu)造規(guī)則提出了強(qiáng)烈需求。隨著研究的深入，在MM/MS共享遙操作技術(shù)中，分布式的操作端如何準(zhǔn)確獲知其他操作端的操作意圖是難以逾越的問題，對共享操作端的控制和操作規(guī)則制定帶來了難度，多回路中不確定時(shí)延的復(fù)雜情況，會(huì)使操作端間的共享數(shù)據(jù)交互準(zhǔn)則更難設(shè)計(jì)，為克服時(shí)延，一個(gè)協(xié)調(diào)和判定分布式的各操作端操作有效性的中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)可能必不可少。不確定大時(shí)延影響消減、主從端的跟蹤性和透明性等均是(共享)遙操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題，解決有限帶寬與地面操作員對空間復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境認(rèn)知需求之間的矛盾等仍是(共享)遙操作的研究熱點(diǎn)，目前的共享遙操作方法研究中，尚未有效利用遙操作端的特有優(yōu)勢(相比于現(xiàn)場操作端，遙操作端為克服時(shí)延會(huì)具備特有的超前預(yù)報(bào)技術(shù))，而該特征有可能成為解決共享遙操作問題的鑰匙。此外，目前多數(shù)研究還是基于2個(gè)左右操作對象的共享遙操作，或者多個(gè)遙操作節(jié)點(diǎn)操作同一個(gè)對象，更大規(guī)模的操作對象集群、更多操作端的接入情況還有待進(jìn)一步研究和突破。本文利用遙操作系統(tǒng)的超前預(yù)報(bào)特性，提出一種機(jī)器人復(fù)雜大時(shí)延的共享遙操作方法。

2 系統(tǒng)描述

2.1 系統(tǒng)描述及分時(shí)樹狀分組策略

共享遙操作的機(jī)器人系統(tǒng)中，處于不同地區(qū)的操作員協(xié)作遙控遠(yuǎn)端的一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人來共同完成一項(xiàng)任務(wù)。多個(gè)操作端和多個(gè)操作對象連接到同一個(gè)通訊系統(tǒng)中，在各遙操作端的超前預(yù)報(bào)技術(shù)的輔助下，每個(gè)操作員通過操作端控制操作對象，共同完成遠(yuǎn)端的復(fù)雜遙操作任務(wù)，操作端之間均存在復(fù)雜大時(shí)延和數(shù)據(jù)共享，且時(shí)延值可能不同；在不同的時(shí)間段，針對不同的遙操作任務(wù)，系統(tǒng)需主動(dòng)在線管理和協(xié)調(diào)所有操作端和操作對象的操控關(guān)系，定義這樣的系統(tǒng)為MM/MS共享遙操作系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 MM/MS共享遙操作系統(tǒng)Fig.1 MM/MS cooperative teleoperation systems

具體地，處于地點(diǎn)i(i=1,2,…,m)的地面操作端Ci(s)和操作員i組成廣義控制器i，同時(shí)，建立主動(dòng)式中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)，用于協(xié)調(diào)和判定各操作端的有效操作，提高各操作端間的共享數(shù)據(jù)交互功效，即中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)管理和仲裁各操作端的操作狀態(tài)，維護(hù)各操作對象的預(yù)報(bào)/實(shí)測狀態(tài)信息；中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)和所有操作端構(gòu)成了地面遙操作系統(tǒng)群，操作端與操作端間、操作端與中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)間均存在數(shù)據(jù)共享交互。現(xiàn)場控制器Gcj(s)(j=1,2,…,n)、空間機(jī)器人Gj(s)和作業(yè)環(huán)境j共同構(gòu)成廣義被控對象j。

針對MM/MS共享遙操作系統(tǒng)的不同地、不同時(shí)、不同對象以及可擴(kuò)展的群體操作特點(diǎn)，同時(shí)考慮其不確定大時(shí)延下的復(fù)雜群體操作協(xié)調(diào)、調(diào)度和動(dòng)態(tài)構(gòu)造等要求，由廣義控制器分配空間遙操作任務(wù)，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃分時(shí)段將任務(wù)劃分為若干個(gè)子任務(wù)w(w=1,2,…)，基于操作端與操作對象所需操控關(guān)系等，將系統(tǒng)群中的所有操作端及操作對象進(jìn)行分組，以便管理和協(xié)調(diào)異地的各操作端操作。針對每個(gè)時(shí)間段下的子任務(wù)w，將所有操作端和操作對象劃分為N(N≥1，整數(shù))組，每個(gè)組內(nèi)操作端和操作對象是所需的操控對應(yīng)關(guān)系，本文分別定義這些組為SM/SS組(包含一個(gè)操作端及其對應(yīng)操作的一個(gè)對象)、MM/SS組(包含多個(gè)操作端及其對應(yīng)操作的一個(gè)對象)和單操作員多機(jī)器人(Single-Master/Multi-Slave，SM/MS)組(包含一個(gè)操作端及其對應(yīng)操作的多個(gè)對象)，如圖2所示。

圖2 MM/MS共享遙操作系統(tǒng)分時(shí)樹狀分組示意圖Fig.2 Diagram of timesharing tree-like grouping for MM/MS cooperative teleoperation systems

(1)

(2)

(3)

如圖2所示，t0為系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)刻，以時(shí)間段tw～tw+1的子任務(wù)w為例，針對子任務(wù)w，需要操作端1遠(yuǎn)程操控對象1、2和3，操作端2和3遠(yuǎn)程操控對象3，操作端i遠(yuǎn)程操控對象j，且操作端m遠(yuǎn)程操控對象n。中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)將操作端1和對象1、2劃分為一個(gè)SM/MS組；將操作端2、3和對象3劃分一個(gè)MM/SS組；類似地，將操作端i和對象j、操作端m和對象n均劃分為SM/SS組。特別指出，考慮到操作端1遠(yuǎn)程操控對象3時(shí)，操作端2和3也需遠(yuǎn)程操控對象3，因此，此時(shí)僅將對象3劃分到MM/SS組。

2.2 時(shí)延環(huán)境描述

在子任務(wù)w期間，各操作端之間存在單向傳輸時(shí)延Tc，各操作端與各操作對象間也存在單向交互時(shí)延，包括上行時(shí)延Tu和下行時(shí)延Td；同時(shí)，中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)與各操作端之間也存在單向傳輸時(shí)延，包括操作端到中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的時(shí)延T′u和中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)到操作端的時(shí)延T′d。定義系統(tǒng)的時(shí)延信息矩陣為

T=[Tc,Tu,T′u]

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

3 方法的假設(shè)條件

3.1 復(fù)雜大時(shí)延下的超前預(yù)報(bào)特性分析

當(dāng)共享交互時(shí)延明顯小于遙操作回路時(shí)延時(shí)，即(τu+τd)≥τc，任何非操作中的操作端在遠(yuǎn)端實(shí)測狀態(tài)到達(dá)前，均能提前接收到由操作中的操作端發(fā)出的即將執(zhí)行的操作指令(即提前獲取操作意圖)，因此共享操作端可根據(jù)該指令預(yù)報(bào)或加速向前預(yù)報(bào)，補(bǔ)償交互時(shí)延的影響。

當(dāng)共享交互時(shí)延與遙操作回路時(shí)延相當(dāng)時(shí)，即(τu+τd)≈τc，此時(shí)不能保證實(shí)測狀態(tài)到達(dá)前，收到當(dāng)前操作端發(fā)來的操作指令，但是由于遙操作指令能夠提前預(yù)知，通過有效的上行時(shí)延影響應(yīng)對機(jī)制或者加速向前預(yù)報(bào)等的方式，可一定程度上降低時(shí)延影響。

當(dāng)共享交互時(shí)延明顯大于或遠(yuǎn)大于遙操作回路時(shí)延時(shí)，即(τu+τd)≤τc，此時(shí)如果繼續(xù)采用共享遙操作，將以操作連續(xù)性為代價(jià)，共享操作將會(huì)退化為半離線化的操作-等待-操作，嚴(yán)重影響遙操作的時(shí)效性，極大地降低遙操作對空間任務(wù)的適應(yīng)性。

3.2 共享遙操作的前提條件

在子任務(wù)w期間，為充分發(fā)揮超前預(yù)報(bào)性能，復(fù)雜大時(shí)延的共享遙操作需具備如下前提條件。

1) 時(shí)間同步。共享操作端間、各操作端與對象間、各操作端與中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)間有相同的時(shí)標(biāo)基準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)建立時(shí)標(biāo)軸。

2) 時(shí)延估計(jì)。定時(shí)測定并更新各操作端與遠(yuǎn)端對象、中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的回路時(shí)延值，各操作端與其他操作端間的共享交互時(shí)延值。

3) 各操作端具備加速仿真和模擬能力。各操作端具備在時(shí)標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，不同模式切換中的加速仿真和模擬能力。

4) 時(shí)標(biāo)信息的充分性。時(shí)間同步或基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)可通過在各操作端的上行指令和各操作對象的下行數(shù)據(jù)中填充時(shí)標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，至少包括：上行指令的期望執(zhí)行時(shí)標(biāo)te、上行指令發(fā)送時(shí)標(biāo)tS、上行指令對應(yīng)的接收時(shí)標(biāo)tr、對應(yīng)序號上行指令的執(zhí)行時(shí)標(biāo)tE及其完成并穩(wěn)定時(shí)標(biāo)t′E。

5) 操作端能力需求。每個(gè)組內(nèi)各操作端至少有組內(nèi)對象的預(yù)報(bào)模型和其他組對象的狀態(tài)監(jiān)測模型，至少能對組內(nèi)的對象進(jìn)行操作，可不具備干預(yù)其他組對象的操作能力。

6) 跟蹤性和透明性。系統(tǒng)集群中的單個(gè)遙操作系統(tǒng)具有較好的主從端跟蹤性和透明性。

4 組間共享遙操作方法

在子任務(wù)w期間，按照2.1節(jié)所述方法對系統(tǒng)內(nèi)所有操作端和操作對象分時(shí)樹狀分組，由式(3) 可知，分組后可能包括多個(gè)SM/SS組、SM/MS組或MM/SS組，組與組間、組內(nèi)的操作端與操作端間均存在操作數(shù)據(jù)共享交互，因此需要分別針對組間及組內(nèi)給出相應(yīng)共享遙操作方法。本節(jié)將給出組間共享遙操作方法。

組間共享遙操作通過中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)不斷處理來自各組的遙操作請求，及時(shí)發(fā)送允許遙操作的權(quán)限信息，同時(shí)實(shí)時(shí)維護(hù)并更新組的狀態(tài)信息。因此，中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)本地針對每個(gè)組ι(ι=1,2,…,N)設(shè)置用于存儲(chǔ)操作端操控請求序列的遙操作請求集合δι和用于存儲(chǔ)操作對象的狀態(tài)信息集合σι，狀態(tài)信息包括：操作對象的預(yù)報(bào)狀態(tài)信息和實(shí)測狀態(tài)信息、操作端及其操作對象的操控狀態(tài)(操作中/未操作)。

在子任務(wù)w開始前，以任意操作對象的時(shí)鐘作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)刻t0，對各組間、組內(nèi)、各組與中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行時(shí)間同步，并持續(xù)地保持時(shí)間同步。

如圖3所示，介入組ι(ι=1,2,…,N)的操作前，向中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送操作申請，由中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)確定為有效操作申請后，更新中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)處的遙操作請求集合δι，同時(shí)該組接收來自中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，組內(nèi)對應(yīng)的操作端完成在線環(huán)境模型重載，并根據(jù)重載的環(huán)境模型和預(yù)期的操作任務(wù)，生成相應(yīng)的帶有期望執(zhí)行時(shí)刻的操作指令序列cι(te)，發(fā)送至組ι的對象；發(fā)出指令序列的同時(shí)，啟動(dòng)預(yù)報(bào)模型，對本指令序列下的對象運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行加速預(yù)報(bào)，將預(yù)報(bào)的帶有對應(yīng)時(shí)刻(開始時(shí)刻為指令的發(fā)出時(shí)刻tS，結(jié)束時(shí)刻為指令完成并穩(wěn)定的時(shí)刻t′E)的預(yù)報(bào)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)發(fā)送至中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)處的狀態(tài)信息集合σι。組ι產(chǎn)生的操作指令為

cι(te)=[cι,tι]

(10)

式中：te為該指令的期望執(zhí)行時(shí)間；cι為指令內(nèi)容；tι為該指令的時(shí)標(biāo)矩陣。且

tι=[te,tS,tr,tE,t′E]

(11)

式中：tS為指令的實(shí)際發(fā)送時(shí)刻；tr為該指令的接收時(shí)刻；tE為該指令的實(shí)際執(zhí)行時(shí)刻；t′E為該完成并穩(wěn)定的時(shí)刻。tr、tE和t′E由組ι的操作對象接收時(shí)賦值。期望執(zhí)行時(shí)間te設(shè)定方法為

(12)

中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)接收到被操作對象的現(xiàn)場實(shí)測狀態(tài)信息數(shù)據(jù)時(shí)，將預(yù)報(bào)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)替換為同時(shí)刻的實(shí)測狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，組ι以新模型加速預(yù)報(bào)至t′E，用最新預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)替換先前的預(yù)報(bào)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，重復(fù)該過程。當(dāng)本指令序列執(zhí)行完成并穩(wěn)定，且實(shí)測狀態(tài)數(shù)據(jù)接收完成后，如果還需繼續(xù)操作，則重復(fù)上述過程。如果結(jié)束操作，則發(fā)送申請將中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的組ι的操控狀態(tài)置為未操作。

圖3 MM/MS異地共享遙操作架構(gòu)及流程示意圖Fig.3 Architecture and procedure of MM/MS cooperative teleoperation at different locations

4.1 時(shí)延信息維護(hù)規(guī)則

(13)

此外，定時(shí)檢測并更新操作端i本地存儲(chǔ)的單向傳輸時(shí)延。如式(4)所示，獲取時(shí)延信息矩陣T后，操作端i(i=1,2,…,m)本地存儲(chǔ)單向傳輸時(shí)延信息矩陣Ti，即

(14)

(15)

(16)

4.2 操作請求判斷和狀態(tài)信息維護(hù)方法

基于分組策略式(2)和分組信息式(3)，定義系統(tǒng)的操作端及其操作對象操控狀態(tài)信息ζ為

(17)

(18)

式中：

(19)

5 組內(nèi)共享遙操作方法

SM/SS組或SM/MS組均只包含一個(gè)操作端，因此在整個(gè)子任務(wù)執(zhí)行過程中，任意時(shí)間段的操作均是單個(gè)操作端操作單個(gè)對象，因此SM/SS組和SM/MS組內(nèi)不存在共享操作。

MM/SS組需指定組內(nèi)的主操作端，其余操作端為輔助/觀測操作端(觀測操作端不參與操作對象的操控)。主操作端的遙操作請求直接向中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，而輔操作端的遙操作請求需首先發(fā)送至主操作端，再由主操作端發(fā)送至中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)。

5.1 MM/SS組內(nèi)操作端類型劃分

考慮組內(nèi)主操作員(如專家)所在位置及各操作端的設(shè)備性能等因素，假設(shè)MM/SS組有z(z≤m)個(gè)操作端，指定操作端p(p=1,2,…,z)為主操作端，劃分操作端q(q≠p,q=1,2,…,z)為輔助操作端或觀測操作端，劃分方法為

(20)

(21)

(22)

5.2 MM/SS組內(nèi)操作指令期望執(zhí)行時(shí)刻設(shè)置

組內(nèi)操作端i(i=1,2,…,z)產(chǎn)生的操作指令ci(te)，其期望執(zhí)行時(shí)刻te由于操作端類型的不同而不同，設(shè)置方法由式改(12)變?yōu)?/p>

(23)

5.3 MM/SS組內(nèi)操作指令融合

當(dāng)多個(gè)操作端同時(shí)操作，且輔助操作端產(chǎn)生并傳輸至主操作端的操作指令與主操作端自身產(chǎn)生的操作指令具有相交的期望執(zhí)行時(shí)段時(shí)，在主操作端處，對多條具有相交期望執(zhí)行時(shí)段的操作指令進(jìn)行融合處理，將處理后的單條操作指令及其期望執(zhí)行時(shí)刻分別傳輸至操作對象和其余z-1操作端。對于相交時(shí)段中的每個(gè)時(shí)刻tc，操作指令融合處理：

(24)

6 MM/SS系統(tǒng)共享遙操作方法

針對MM/MS共享遙操作系統(tǒng)，引入了用于管理和仲裁各操作端的主動(dòng)式中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)針對系統(tǒng)中的MM/SS組，指定了管理組內(nèi)各操作端的主操作端，相當(dāng)程度上，對于MM/SS組主操作端可以完全替代中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能。因此，當(dāng)共享遙操作系統(tǒng)由MM/MS系統(tǒng)變?yōu)镸M/SS系統(tǒng)時(shí)，中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)可退化到主操作端處，由主操作端替代完成中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能。

在持續(xù)地保持時(shí)間同步前提下，按照4.1節(jié)所述的時(shí)延信息維護(hù)規(guī)則，實(shí)時(shí)檢測并更新每個(gè)操作端本地的與其他操作端和操作對象之間的單向時(shí)延值，在中間服務(wù)節(jié)點(diǎn)完成的功能均由主操作端替代完成，主操作端不斷處理來自各操作端的遙操作請求，及時(shí)發(fā)送允許遙操作的權(quán)限信息，同時(shí)實(shí)時(shí)維護(hù)并更新狀態(tài)信息。此外，主操作端本地存儲(chǔ)操作端及對象的操控狀態(tài)信息ζ由式(17) 簡化為式(25)，操作狀態(tài)值取值方法按照式(26)。

(25)

(26)

式中：οi(i=1,2,…,m)和υ表示具備對應(yīng)操作關(guān)系的操作端和操作對象狀態(tài)值應(yīng)同時(shí)取值。

指定系統(tǒng)內(nèi)的任一操作端p(p=1,2,…,m)為主操作端，劃分除主操作端外的操作端q(q≠p,q=1,2,…,m)為輔助操作端或觀測操作端，劃分方法參照式(20)，主操作端本地存儲(chǔ)的時(shí)延閾值τT設(shè)定方法參照式(21)，設(shè)定范圍由式(22) 變更為

(27)

對于操作端i(i=1,2,…,m)產(chǎn)生的操作指令ci(te)，其期望執(zhí)行時(shí)刻te仍按照式(23)設(shè)置，操作指令融合參照式(24)。

7 不確定大時(shí)延下共享遙操作實(shí)驗(yàn)

圖4 某大型空間機(jī)械臂地面試驗(yàn)的MM/SS共享遙操作系統(tǒng)實(shí)例Fig.4 MM/SS cooperative teleoperation systems for ground test of large space manipulator

表1 第1類實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果Table 1 Conditions and results of experiments (Type 1)

限于篇幅，僅給出實(shí)驗(yàn)組5某次實(shí)驗(yàn)(20 s不確定大時(shí)延條件，不確定時(shí)延模擬圖如圖5所示)的操作端1的關(guān)節(jié)角度和各操作端的關(guān)節(jié)角預(yù)測誤差，分別如圖6和圖7所示，任務(wù)由t0時(shí)刻開始，共執(zhí)行了約700 s，t0～t2時(shí)段1、t2～t4時(shí)段2和t4～t6時(shí)段3分別執(zhí)行子任務(wù)1、2和3，子任務(wù)1、2和3的主操作端分別為操作端1、2和3。圖6中，t2和t4時(shí)刻為子任務(wù)間的過渡時(shí)刻，也是主操作端的切換時(shí)刻；t0、t1、t3和t5時(shí)刻均為新的指令序列的啟動(dòng)時(shí)刻。

為對比不采用共享遙操作方法時(shí)的操作效果，設(shè)計(jì)了第2類實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)組6～7，任務(wù)時(shí)段劃分與主操作端切換順序與第1類實(shí)驗(yàn)相同，實(shí)驗(yàn)組6和實(shí)驗(yàn)組7設(shè)置相同的實(shí)驗(yàn)條件，如表2 所示。其中，實(shí)驗(yàn)組6中僅操作端1和操作端2使用共享遙操作方法，操作端3不使用；實(shí)驗(yàn)組7中僅操作端1和操作端3使用共享遙操作方法，操作端2不使用。僅給出實(shí)驗(yàn)組6和7下某次實(shí)驗(yàn)的各操作端的關(guān)節(jié)角預(yù)測誤差，分別如圖8 和圖9所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)組5某次實(shí)驗(yàn)的各操作端的預(yù)測誤差Fig.7 Operator predication errors of experiment in Group 5

圖8 實(shí)驗(yàn)組6某次實(shí)驗(yàn)各操作端的預(yù)測誤差(操作端3不使用共享遙操作方法)Fig.8 Operator predication errors of experiment in Group 6 (Operator 3 does not use the cooperative teleoperation method)

圖9 實(shí)驗(yàn)組7某次實(shí)驗(yàn)的各操作端的預(yù)測誤差(操作端2不使用共享遙操作方法)Fig.9 Operator predication errors of experiment in Group 7 (Operator 2 does not use the cooperative teleoperation method)

第1類和第2類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：

1) 采用提出的共享遙操作方法，在20 s級不確定大時(shí)延環(huán)境下，時(shí)延比Rτ由0～1，主操作端時(shí)段、主輔全時(shí)段平均預(yù)測誤差均在10-3(°)量級，影響不明顯，說明均可實(shí)施連續(xù)穩(wěn)定的遙操作。

2) 當(dāng)系統(tǒng)中存在不使用共享方法的操作端時(shí)，有兩個(gè)現(xiàn)象：① 任意子任務(wù)由該操作端作為主操作端實(shí)施操作，均會(huì)影響輔助操作端的共享狀態(tài)數(shù)據(jù)處理，如圖8的時(shí)段2和圖9的時(shí)段3,且有可能影響下個(gè)時(shí)段的共享遙操作，如圖9(a)的時(shí)段3;② 使用共享方法的操作端，不會(huì)影響不使用共享方法的操作端，如圖8(c)和圖9(b)。

表2 第2類實(shí)驗(yàn)條件Table 2 Experimental conditions (Type 2)

8 結(jié) 論

1) 利用遙操作系統(tǒng)的超前預(yù)報(bào)特性，提出了一種面向空間對象的復(fù)雜大時(shí)延的共享遙操作方法，通過數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)表明，本論文給出的分時(shí)樹狀分組策略、前提條件、組間信息/狀態(tài)維護(hù)規(guī)則及組內(nèi)操作融合算法，可有效應(yīng)對復(fù)雜時(shí)延環(huán)境下的共享遙操作。

2) 本文方法要求所有操作端均遵守共享操作規(guī)則，當(dāng)交互時(shí)延與遙操作回路時(shí)延比Rτ>1時(shí)，會(huì)使共享遙操作端出現(xiàn)短時(shí)的預(yù)測誤差積累，但對平均預(yù)測誤差影響不明顯。

3) 本文方法的實(shí)施需保證，共享遙操作集群中單個(gè)遙操作系統(tǒng)具有較好的跟蹤性和透明性，或者滿足本文描述的“超前預(yù)報(bào)特性”前提。參加集群操作的對象各異，對應(yīng)的遙操作系統(tǒng)也不盡相同，因此需保證時(shí)標(biāo)信息充分(時(shí)間同步)，但是并非所有的遙操作系統(tǒng)都會(huì)要求使用該條件；此外，其他時(shí)延估計(jì)方法、狀態(tài)預(yù)報(bào)技術(shù)等，其精確度和快速性對系統(tǒng)群的穩(wěn)定性和透明性等帶來的影響，有可能在群體協(xié)調(diào)中放大，目前在這些方面的研究有待加強(qiáng)。