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基于互联网遥操作研究 　　摘要：遥操作机器人在核工业、电力、医疗、航天工业有着大量应用，伴随着网络和机器人控制技术的飞速发展，基于互联网遥操作研究成为当前机器人学科的一个前沿课题。互联网的开放性、低成本、灵活性为机器人技术的发展与应用提供了广阔空间。针对基于互联网遥操作的稳定性、时变时延和数据包丢失的缺点，研究人员给出了不同的解决改善方案，其中包括控制理论与策略、人工智能、虚拟现实和协议分析与改进等技术方法，取得了一定成果，同时仍有很大改进空间。 　　关键词：互联网；遥操作；稳定性；透明性；时延 　　中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）34-0210-04 　　1 背景 　　1994年美国南加州大学的Mercury项目是基于互联网遥操作的首个实例，机器人Raiders被连接到互联网上，用户可以通过互联网控制界面通过鼠标控制机器人在盛满沙子的容器中挖掘物品，在每一个动作结束后系统会反馈给用户一张当前状态的图片[1]。同年，西澳大利亚大学的Kenneth Taylor发布了一个可以通过互联网访问的六自由度遥操作机械手臂机器人，用户可以通过网页发出控制请求来控制机械手臂堆砌放置在桌子上的小木块[2]。随后的Telegarden[3]、Xavier[4]等项目相继接入互联网，用户可以基于互联网完成不同的任务操作。NASA的“WITS”项目“火星探测者”任务[5]，该项目开发了一个Web界面，用来控制在遥远的星球上遥控车辆，使得科学家可以通过浏览器完成行星探测器的控制任务。2001年法国医生雅克马雷斯科带领的医疗小组的“Zeus”机器人将遥操作技术应用于医疗实践[6]，在纽约对躺在法国斯特拉斯病床上68岁的病人进行了远程手术，在此之后的更多实践展示了基于互联网遥操作机器人的广阔应用前景。 　　评价一个遥操作系统性能的指标包括稳定性，透明性等。对系统的稳定性，研究人员提出多种控制理论策略，文献[7]阐述了系统稳定性分析的几种主要方法，包括Lyapunov稳定性、输入输出稳定性、无源稳定性和基于事件的稳定性。决定系统透明性的关键因素是网络时延，基于互联网遥操作系统的通信环境―互联网―决定了时延测量及其预测的复杂性，网络时延具有随机性、不确定性。稳定和降低时延的方法包括控制理论策略、协议分析与改进、时延预测补偿、人工智能等技术方法。 　　在现有互联网资源环境下，无论何种技术方法都无法突破通信带宽时延的极限，而在机器人控制的主从端解决问题，采用人工智能的方法，给予遥操作机器人可调的自主性[7]，使用虚拟现实技术[8]，优化改进图像处理技术[9]，为增强系统稳定性和透明性开拓了新的方向。 　　由于基于互联网遥操作系统工作在开放的互联网上，信息安全问题同样是一个不容忽略的问题，尽管绝对的安全无法实现，一定程度的安全性可以通过密码学和防火墙技术等来实现[10]。 　　2 系统性能分析 　　2.1 系统稳定性 　　力反馈被引入在临场感实现中解决时延问题，系统的稳定性问题凸显出来[11]。而时变时延更成为系统稳定性的灾难[12]，由于机器人的非线性和强耦合，加上网络时延的不确定变化，解决网络遥操作系统的稳定性问题仍然是困难重重[7]。 　　研究人员在研究和增强系统稳定性中提出了以下解决方法和实践： 　　Lyapunov稳定性：文献[19]提出了Lyapunov函数应用于控制器设计，采用定号到定号模式的稳定性分析方法。文献[20]对Lyapunov函数做了进一步扩展系统的稳定性判据不依赖于时变时滞的变化率，提出了一种定号到不定号模式的稳定性分析方法。 　　输入输出稳定性：在有限输入-输出反馈连接的框架下，将动力学系统的稳定性概念引入，在时延变化范围较小，即控制器增益大小可以确定的情况下，可以有效保障系统的稳定性。然而，由于通讯通道快变时延的存在，输入-输出稳定性难以具体给出控制器增益大小的上下界，这对控制器的设计来说相当保守[7]。 　　无源稳定性：文献[15]、[16]将散射理论应用到力觉临场感遥操作系统中，指出，导致系统不稳定的环节在于通讯环节的时延造成了系统的有源性。从而构造无源性的系统成为构造稳定系统的基础。但是当时延变大时，系统性能下降。文献[17]提出了基于有源阻抗匹配的无源控制算法，同时保证力觉临场感和系统的稳定性。文献[18]从能量传递角度出发，提出了波变量的概念，并通过波变换的方法道出了一种无源控制算法。 　　基于事件的稳定性[13-14]：时延、丢包和连接中断集中缺陷都将导致系统的不稳定，尤其是在闭环系统中。在基于事件的遥操作系统中，如果系统是渐进稳定的，时间不作为系统的参考变量，选择非时间参考变量，从而通信时延对系统不产生影响，从而保证系统的稳定性。但是，基于网