一种遥操作移动机器人的研究与实现

采集到的环境信息，直接改变移动机器人的动作。 各 行 为 之 间 的 关 系 和 行 为 间 的 切 换 ，用 一 个 有 限 状 态自动机模型来描述和组织。
定 义 一 个 有 限 状 态 自 动 机 ：Ｇ＝（Ｑ，∑ ，δ，ｑ０），其 中：∑为事件标号集合｛σｉ｝，σｉ 可为 Ａｇｅｎｔ 的外部输 入 激 励（来 自 于 外 部 的 意 外 事 件 信 息 或 来 自 于 远 程 的动作控制命令），或者 Ａｇｅｎｔ 经过知识推理得到的 输 出 ；Ｑ 为 移 动 机 器 人 行 为 的 集 合 ，ｑ０ 为 初 始 状 态 （一般为空 闲状态）；δ是一种变换：∑Ｑ→Ｑ，也可以 写 成 ｑｉ＝（δ，ｑｊ）， 表 示 状 态 变 迁 中 事 件 与 状 态 的 关 系 。 我 们 设 计 的 控 制 器 中 定 义 了 如 下 行 为 ，其 关 系 如图 ３ 所示。
１ 遥操作移动机器人的体系结构
１．１ 系统的功能 遥操移动机器人的主要目的是通过操作者和
２００５ 年４ 月３０ 日 收 到
国 家“８６３ ”计 划 项 目（２００１ＡＡ４２２２００ ）资 助
第一作者简介：彭一准，中科院自动化所，博士生，研究 方 向 ：移 动 机
器人的遥操作。Ｅ－ ｍａｉｌ：ｙｉｚｈｕｎ．ｐｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉａ．ａｃ．ｃｎ。
２ 环境感知与信息传输
２．１ 环境感知 遥操作移动机器人获得的环境信息决定了遥
操作控制计算机上人机界面的内容和操作者控制 移 动 机 器 人 的 难 易 。 在 友 好 、便 利 的 人 机 交 互 界 面 中，视频 信息至关 重 要 ，其 内 容 丰 富 、形 式 直 观 、方
图 ２ 遥操作移动机器人系统的物理结构
ｑ０ 为初始状态。移动机器人完成任务后或没有 命令时 进 入 此 状 态 ，在 此 状 态 中 ，移 动 机 器 人 静 止 不运动 ，但 是 保 持 网 络 连 接 ，实 时 地 向 远 端 传 输 视 频 信 息 ，并 采 集 传 感 器 的 信 息 进 行 环 境 感 知 。 在 此 状态下 ，移 动 机 器 人 依 据 所 接 受 的 远 端 命 令 ，将 状 态转换为 ｑ２ 或 ｑ６。
５卷
通信，无线通信的方式主 要有 ８０２．１１、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ 和 ＨｏｍｅＲＦ 等。无线局域网 ＬＡＮ８０２．１１ 技术在性能、价 格各方面均超过了 Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、ＨｏｍｅＲＦ 等技术，其性 能也能满足遥操作移动机器人的通信要求。另外， 考虑到通信的网络接口实现和通信编程的通用性 问题，因此采用无线局域网 ＬＡＮ８０２．１１ｂ 作为信息 传输的平台。
１６期
彭 一 准 ，等 ：一 种 遥 操 作 移 动 机 器 人 的 研 究 与 实 现
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的处理，送到远程通讯模块和移动机器人控制模 块。传感器种类的合适搭配及其数据采集的速度和 精确度，对整个系统有不可忽视的影响。
图 １ 遥操作移动机器人系统的逻辑结构
１．３ 系统的物理结构 为 了 实 现 逻 辑 结 构 中 各 模 块 功 能 ，使 系 统 在 总
体 性 能 上 满 足 实 时 性 、 可 靠 性 和 方 便 性 的 要 求 ，系 统在实现过程中的软硬件配置及其相互间关系如 图 ２ 所示。由图 ２ 可以看出，在物理结构上整个遥 操作移动机器人系统分为遥操作控制计算机和移 动机器人平台两大部分。
遥操作控制计算机远离移动机器人的工作现 场 ，操 作 者 通 过 这 台 计 算 机 实 现 对 机 器 人 的 遥 操 作 控 制 ，其 实 现 的 功 能 有 ：网 络 通 信 、视 频 的 解 压 缩 和 显示、非 视 觉 传 感 器 信 息 的 可 视 化 显 示 、移 动 机 器 人工作状态的显示和接收操作者通过控制设备对 移动机器人下达的控制命令。移动机器人平台由移 动机器 人 上 位 机 系 统 、视 频 采 集 系 统 、非 视 觉 传 感 器 信 息 采 集 系 统 和 伺 服 驱 动 系 统 组 成 ，其 中 移 动 机 器人上 位 机 系 统 实 现 的 功 能 有 ：网 络 通 信 、视 频 信 息 压 缩 、视 频 信 息 识 别 、非 视 觉 传 感 器 信 息 的 处 理 、 移动机器人的运动规划和运动控制。
便 操 作 者 决 策 。 但 是 视 频 信 息 数 据 量 大 ，传 输 带 宽 要求高，为此我们在移动机器人端选择了成熟的 ＪＰＥＧ 压缩技术，大大减少了视频信息的数据量，可 以 满 足 视 频 实 时 传 输 和 显 示 的 要 求 。 另 外 ，在 移 动 机 器 人 本 体 中 ，还 装 有 长 、短 红 外 传 感 器 ，其 所 感 受 到 的 环 境 信 息 不 仅 使 人 机 界 面 更 为 友 好 ，而 且 使 移 动机器人本体具有自动避障功能。 ２．２ 信息传输
根据移动机器人实际任务的需要和行为的特 点 ，将 移 动 机 器 人 的 行 为 进 行 分 类 。 同 时 为 让 移 动 机 器 人 能 实 时 处 理 各 种 意 外 事 件 ，加 入 了 反 应 式 的 行 为 控 制 ，在 紧 急 情 况 下 移 动 机 器 人 可 以 根 据 自 身
图 ３ 状态转换关系
３ 移动机器人的控制与视觉导航
３．１ 移动机器人的控制 当 前 ，移 动 机 器 人 的 控 制 方 法 有 ：分 层 规 划 方
法，又 称主动方法 ，以 Ｓａｒｉｄｉｓ 的分层 递阶 结 构 为 理 论 依 据 ，如 美 国 航 天 航 空 局（ＮＡＳＡ）和 美 国 国 家 标 准局（ＮＢＳ）提出的 ＮＡＳＲＥＭ、中 科院沈阳自 动化所 提出的 ＯＳＭＯＲ 系统［８］；基于 行为的方 法，又称反应 式 方 法 ，源 自 Ｂｒｏｏｋｓ 提 出 的 包 容 体 系 结 构 ，在 ＭＩＴ 的 一 系 列 机 器 人 中 取 得 了 成 功 的 应 用［９］。
在 遥 操 作 移 动 机 器 人 中 ，移 动 机 器 人 是 工 作 在 遥 操 作 者 的 控 制 之 下 ，因 此 无 须 自 主 的 上 层 行 为 规 划；由 于 时 延 的 存 在 ，要 使 移 动 机 器 人 准 确 地 实 现 遥 操 作 者 的 意 图 ，这 就 要 求 移 动 机 器 人 具 有 一 定 的 智 能 ，能 够 自 主 地 执 行 来 自 遥 操 作 者 的 某 种 任 务 命 令，而不是简单的动作命令。基于这种需要，我们设 计了基于 Ａｇｅｎｔ 的移动机器人控制器模型［１０］。在这 种 模 型 中 ，遥 操 作 者 不 是 直 接 去 控 制 移 动 机 器 人 的 执行机构，而是与基于 Ａｇｅｎｔ 的控制器交互。基于 Ａｇｅｎｔ 的 控 制 器 一 方 面 接 受 操 作 者 的 任 务 命 令 ，并 将机器人的自身参数和环境信息通过网络传送到 遥操作端。另一方面，作为一个自主的智能实体，接 受各种 传 感 器 的 信 息 ，理 解 环 境 信 息 ，并 融 合 接 收 到的命令和环境信息，完成任务的规划和执行。
第 ５ 卷 第 １６ 期 ２００５ 年 ８ 月 １６７１ － １８１５（２００５）１６ － １１６２ － ０５
科学技术与工程
Ｓ科ｃｉｅｎｃ学ｅ Ｔｅｃ技ｈｎｏｌｏ术ｇｙ ａｎ与ｄ Ｅｎｇ工ｉｎｅｅｒ程ｉｎｇ
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在遥操作者和机器人之间的信息传输既可以 采用专用的通讯设备，如清华大学的 ＴＨＭＲ－ Ｖ 系 统［７］； 也 可 以 借 助 公 用 的 通 讯 网 络 。 在 我 们 的 系 统 中，通信采用了无线局域网的 ８０２．１１ｂ 技术。移动机 器人的工作环境和工作方式决定了只能采用无线
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科学技术与ห้องสมุดไป่ตู้程
一种遥操作移动机器人的研究与实现
彭一准 原 魁 周庆瑞
（中国科学院自动化研究所，北京 １０００８１；ｙｉｚｈｕｎ．ｐｅｎｇ＠ｍａｉｌ．ｉａ．ａｃ．ｃｎ）
摘 要 移动机器人在工业制造、国防以及服务行业具有广阔的应用前景。由于环境感知、自主定位与导航等技术瓶颈的存在， 完 全 自 主 移 动 机 器 人 在 目 前 还 难 以 走 向 实 用 。采 用 遥 操 作 控 制 ，能 有 效 地 解 决 上 述 问 题 。对 遥 操 作 移 动 机 器 人 的 体 系 结 构 、环 境 信 息 感 知 、通 讯 方 式 、导 航 与 控 制 进 行 了 阐 述 ，在 此 基 础 上 提 出 的 基 于 局 域 网 的 遥 操 作 移 动 机 器 人 具 体 实 例 ，既 可 在 危 险 环 境 下 执 行 任 务 ，也 可 用 于 社 区 保 安 巡 逻 。 关键词 移动机器人 遥操作 体系结构 控制 Ａｇｅｎｔ 视觉导航 中图分类号 ＴＰ８７２； 文献标识码 Ａ
当前遥操作机器人的研究与应用主要集中在空 间技术领域［３，４］，以及基于 Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 的遥操作研究［５，６］。 本文提出的基于 Ｉｎｔｒａｎｅｔ 的遥操作移动机器人主要 以实现移动机器人的实际应用为目的；在物理空间 上实现人类感知能力和行为能力的延伸；在信息层 次上将远端的移动机器人与操作人员连接在一个闭 环回路里，实时地控制远端移动机器人的运动，以最 大限度地利用远近端的设备、资源和遥操作者的智 力、经验，从而实现资源最佳配置，完成特定的任务； 既能在现实环境中完成具体的任务，也可以为遥操 作和移动机器人的研究提供试验平台。
遥操作机器人作为机器人的一个重要分支［１］，一 直受到许多研究机构和研究人员的关注和重视。在危 险环境下和人类难以到达的地方，如核辐射环境、战 场 侦 察 、星 际 探 索［２］等 ，遥 操 作 机 器 人 能 完 成 人 类 自 身不易完成或不能完成的工作［１］。在服务领域，如远 程医疗、博物馆导游、社区巡逻等，遥操作机器人能更 好地利用资源，便利人们的生活，减少人力的付出。
为 了 使 系 统 满 足 上 述 功 能 ，并 确 定 系 统 功 能 的 划 分 以 及 功 能 之 间 的 关 系 ，本 文 所 述 遥 操 作 机 器 人 系统的逻辑结构如图 １ 所示。由图 １ 可以看出，整 个系统在逻辑上可以分为人机界面、远程通讯模 块 、移 动 机 器 人 控 制 和 环 境 信 息 获 取 。 在 遥 操 作 移 动机器 人 系 统 中 ，实 现 操 作 者 监 视 、控 制 遥 操 作 移 动 机 器 人 的 功 能 模 块 是 人 机 界 面 。 内 容 丰 富 、操 作 方 便 的 人 机 界 面 对 整 个 系 统 的 性 能 至 关 重 要 ，该 模 块的主要功能是从远程通讯模块接收远端的环境 信 息 和 移 动 机 器 人 的 状 态 信 息 ，并 通 过 远 程 通 讯 模 块向远端发送操作者下达的控制命令。远程通讯模 块的功能是在遥操作端和移动机器人端传送控制 命 令 和 反 馈 信 息 ，对 于 该 模 块 的 主 要 要 求 是 要 有 足 够的通讯带宽和稳定的通讯质量。移动机器人控制 模 块 用 于 执 行 来 自 远 程 通 讯 模 块 的 控 制 命 令 ，并 上 传移动 机 器 人 的 状 态 参 数 ；与 此 同 时 ，控 制 模 块 还 要 求 能 够 根 据 传 感 器 检 测 到 的 环 境 信 息 ，使 移 动 机 器人产生一定的自主行为。环境信息获取模块主要 是 通 过 传 感 器 感 知 环 境 ，并 对 传 感 器 数 据 进 行 适 当
无 线 网 络 的 构 建 非 常 简 单 ，其 基 本 配 备 就 是 无 线网卡和 ＡＰ（Ａｃｃｅｓｓ Ｐｏｉｎｔ），ＡＰ 就如一般有线网络 的 Ｈｕｂ。通过 ＡＰ，无线工作站可以快速、轻易地与有 线局域网相连，实现无缝漫游。借助有线网络，适当 配置 ＡＰ，就可以在大厦内或社区内遥操作控制移动 机器人。
移动机 器 人 的 合 作 ，使 操 作 者 远 离 操 作 现 场 ，参 与 和完成现场的活动。因此遥操作移动机器人系统须 具 备 以 下 功 能 ：位 于 操 作 端 的 操 作 者 能 实 时 地 知 道 移 动 机 器 人 端 的 环 境 信 息 、任 务 进 展 情 况 以 及 移 动 机 器 人 本 体 的 状 态 信 息 ，远 端 的 移 动 机 器 人 须 具 备 快捷响应遥操作者所下达的控制指令的能力。 １．２ 系统的逻辑结构