Internet环境下遥操作机器人系统传输时延研究
一、选题背景及其意义
遥操作就是远距离操作，是在远方人的行为动作远距离作用下，使事物产生运动变化。遥操作是一种基础技术，应用领域相当广泛，如机器人领域、航空航天领域、基础科学试验、核工程、海底与远洋作业等。遥操作技术使移动机器人到达艰险的环境，通过机器人完成特定的任务，从而可以使人远离艰险的工作环境。
基于Internet的遥操作机器人是指将机器人与Internet连接，使人们可以在任何地方通过浏览器访问机器人，实现对机器人的远程监视和控制。它以Internet 为构架，不仅降低了遥操作系统的成本，也使机器人为Internet上越来越多的人们所熟悉和共享。
其中，数据传输是遥操作机器人系统的一个非常重要的组成部分。从通信领域来说，分为无线和有线数据传输。随着Internet的出现及广泛应用，通过Internet进行数据传输，实现远距离遥控机器人越来越成为一个重要研究方向。
基于Internet的遥操作机器人系统，一方面得益于网络传输的显著优势，网络资源廉价、普及范围广、所需硬件少；另一方面，Internet上数据流具有多样性，遥操作机器人系统必需的实时性特点所需要的高优先级必然不能达到。同时，Internet本身固有的特点，由于网络延时和负荷变化所具有的随机性、可变性和不可预测性引起了遥操作控制过程中的随机时延及延迟抖动，遥操作机器人系统的可控性、稳定性及透明度都受到负面影响。在力觉临场感遥操作系统网络传输中的不确定时延往往导致机器人控制信息反馈回遥操作端有一段时间滞后。该滞后与网络当时的性能紧密相关，如拥挤程度、途经路径的长短等等。如果遥操作人员不把网络延时考虑进去，对机器人的当前运动状态无法做出正确的判断，就无法发送正确的遥控命令，控制也将出现偏差，严重的甚至有危险。因此不确定时延是远程遥控机器人研究的技术难点之一。具有临场感效果的遥操作机器人系统应用于太空活动和深海探测等距离遥远的地方，但远地从机器人与本地操作者之间长达几秒到几十秒不等的通信时延却成为影响系统正常工作的突出问题。这不仅降低了系统的临场感效果，使操作者难以实时地、真实地感知远地环境的情况，而且造成了系统的不稳定，尤其是在从机器人与环境发生力的交互作用过程中。具体说来，问题的根源主要集中在网络时延和数据可靠性两大问题上。其中，数据可靠性又与网络时延有着密不可分的关系。
目前，对于遥操作机器人系统网络时延问题应对策略的研究主要集中在控制理论领域，如基于电路网络理论的无源控制法则、基于现代控制理论的控制算法和虚拟现实技术的模型修正法等。其共同的特点是把网络看作一个不可知(黑盒子)和不可控的对象，在控制领域寻找应对方法,以期消除网络时延对遥操作系统中信息、数据传输带来的负面影响。但是，科学地讲，网络时延虽然具有相当显著的不确定性，但它是一个可控、可预测的对象。因而，从网络体系及网络时延本身出发，从遥操作机器人系统与网络的互动需求出发，提出满足遥操作机器人系统需求的时延相关的网络优化和适应性方法，从而与控制领域的研究成果达成互补的效果。在保证系统稳定性的基础上,尽可能地提高系统透明度，满足期望的操作性，达到系统稳定性与透明度的动态平衡性, 即随着系统状态在稳定性和透明度之间找到一个合理的折中,使得系统在稳定的基础上尽可能提高操作性能。通过跨学科的努力，从根本上解决Internet环境下网络时延及时延抖动对遥操作机器人系统的影响和限制，缩短遥操作机器人系统理论与实用化的距离，为遥操作机器人技术提供更加广阔的应用空间。
二、国内外研究动态
在很长一段时间，关于遥操作机器人系统的网络时延问题集中在控制理论领域，早在60年代Ferrell就指出时间延迟的存在会使远程机器人工作不稳定。这种不稳定性可以从以下几个角度分析:
在古典控制论奈奎斯特稳定性分析中，将复平面上开环频率特性曲线不能包围-1点作为系统稳定的条件，并进一步从工程角度出发，要求一个系统不但要做到稳定，还应该有相当的稳定裕量才可使用。然而一个系统的参数的不确定性，控制模型的不合理的简化，却会使系统在某些情况下失稳，网络机器人控制中典型的就是延时的不确定性所带来的系统不稳定，所以对网络机器人控制问题的研究往往要考虑系统的稳定性和鲁棒性(Robustness)，即“是否稳定”和“稳定裕量”。
从能量角度分析，遥操作系统要想保持稳定，其输入能量必须大于输出能量，而通讯系统的存在会很容易的违反这一要求。
从负反馈角度分析:负反馈是实现控制的基本方法，但负反馈并不能保证系统的稳定性，设计不好的负反馈系统的被控制量也会出现震荡的情况，即不稳定。一个闭环系统如果其闭环增益大于一，其半个工作周期等于时间延迟值，则系统将处于正反馈而非负反馈，此频率的能量将连续加入系统而导致系统的不稳定。
现阶段，遥操作机器人系统克服时延影响的研究发展策略主要集中在基于电路网络理论的无源控制法、基于现代控制理论的控制算法、基于虚拟现实技术的控制结构和控制算法等几个方面。
1989年，Raju S.首先提出用二端口网络理论分析遥操作系统的方法, 将遥操作系统与电路网络进行类比，并且通过分析指出影响系统不稳定性的原因在于通信时延造成了传输线的有源性，使人们认识到使有通信时延的遥控作业系统稳定是可能的，关键是控制远地和本地之间的通信环节，使其具有无源传输线的性能。
加拿大多伦多大学的Strassberg Y. 和Goldenberg A. A. 等人则利用现代控制理论中的Lyapunov稳定性判据分析临场感系统的稳定性条件。Lawrence D. A. 针对稳定性和临场感特性在时延下的不协调，提出了“无源距离( passivity distance)”和“透明距离( transparency distance)”的概念，用以指导临场感系统的设计。 Leung G. M. H. 和Francis B. A. 等人利用基于“无源距离”和“透明距离”的综合评价法设计临场感系统的结构, 并利用H∞最优控制理论指导时延下临场感系统中控制器的设计。
1984年,Noyes G. 和Sheridan T. B. 设计了用于遥操作的第一个视觉预测显示系统。在该系统中用机械手的计算机仿真模型叠加在经时延后反馈的机械手视频图象上，仿真模型和操作者之间是实时交互，用以预测远处环境中机械手的运动。实验证明，该方法可以极大地提高系统的操作性能。1986 年，Sheridan T. B. 又构造了实验系统用以验证视频预测显示的有效性。结果表明，在视频预测显示的帮助下，任务完成时间减少50%。 1992 年，Kototu T.等人基于Bejczy A. K. 在1990 年提出的“幻影机器人”的思想上，给虚拟从手加入了力反馈。结果表明，增加了力反馈使得控制稳定，而且从手的运动比仅靠图形显示判断接触力时快了三倍。1996 年，Morikawa H. 等人通过建立“虚拟引导模型”引入预测力反馈。2000 年，Itoh T. 等人对基于半自动任务导向虚拟工具，并具有运动和力标定的人- 机协作遥操作系统提出了新的控制算法。
实际上，从研究人员对遥操作系统中得网络时延问题的探索研究过程中我们不难发现：基于电路网络理论的无源通讯法则所实现的控制算法对解决短时延问题具有较好的效果，而在长时延的情况下，要实现在保证系统稳定的同时又具有良好的可操作性则显得无能为力；由于现代控制理论的不完善及其系统实现上的困难等原因，基于现代控制理论所提出的各种控制算法亦未能较好地解决系统通信时延问题。然而，将虚拟现实技术用于临场感遥操作机器人系统来克服通信时延，从而确保系统的稳定性和可操作性得以同时实现。因此，我们认
