Internet环境下遥操作机器人系统传输时延的研究综述
摘要遥操作机器人系统的应用和研究是目前机器人学一个重要的研究领域。尤其是基于Internet的遥操作系统的产生，更进一步扩大了应用领域,，并对系统的透明度和稳定性带来了新的挑战。时延问题是遥操作机器人系统中亟需解决的首要问题。该文主要从控制的角度，面向各种性质的时延如确定的或未知的、固定的或时变的等对遥操作系统所带来的稳定性和透明度等问题，针对近年来为解决这些问题所提出的新的控制方法和理论进行系统的综述和分析，指出现有各种方法的优缺点，并提出了今后解决Internet环境下遥操作机器人系统时延的可行的研究方向。
关键字Internet，遥操作机器人，稳定性，透明度，时延
Abstract Applications and research of tele-robotic systems have been a focus in the robotics recently. Especially, Internet-based tele-robotic systems are emerging in recent years, which greatly challenge the transparency and stability of the system. Time-delay is the primary problem which is needed to solve in tele-robotic system. For various time-delays such as determined or unknown, fixed or time-varying which bring stability and transparency issues to the tele-robotic system, this paper mainly from the control point of view summarizes and analyses the proposed new control methods and theoretical to address these issues in recent years. Also the advantages and disadvantages of various methods available are pointed out, and some new ideas about the possible methods for the time-delay of Internet-based tele-robotic systems are proposed.
Key words Internet, tele-robotic, stability, transparency, time-delay
1引言
遥操作机器人系统是指在人的操纵下在人难以接近、难以进入或对人有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统。基于Internet 的遥操作机器人系统是指操作者通过计算机网络操纵异地的机器人或其他硬件设备进行作业或与异地环境进行交互的自动化系统。近年来，基于网络的遥操作机器人研究取得了很大的进展。基于Internet 的遥操作机器人研究的目的是利用Internet 传送人类的行为动作，使机器人在远程复现人类的行为意图，进而实现跨越空间的行为延伸。遥操作机器人系统的实现，将极大地改善机器人的作业能力，如远程制造、远程操作、空间探索、海洋开发、远程医疗等。
基于网络的时延有其独特的特点。在基于网络的机器人遥操作系统中，时延的一个显著的特点是变化。一些远程控制系统的研究表明在远程控制系统网络通信中即使存在微小的互联网传输延迟也将会导致控制系统的不稳定性的发生，因此减小互联网传输时延是急需解决的一个问题。由于Internet中数据传输时延是影响遥操作控制系统品质的一个主要因素，时延模型的建立是一切分析解决遥操作时延控制问题的基础，而且这种时延是随机时变的，还可能是未知的，这就使得网络遥操作系统的控制更具复杂性和难度。因此，对网络时延的精确测量以及针对时延的网络性能的提高越来越成为研究的热点。
2Internet环境下遥操作机器人系统中研究传输时延的理论和方法
2.1基于时钟同步的单向传输时延的研究
目前有2种比较常用的时钟同步方法。其中，网络时间协议NTP以一个固定的时间服务器作为参考点，计算其到各个测量端的往返路径时间，将测量结果除以2之后再对各个测量端
之间的时钟偏差进行估计。显然，这种方法只有在往返路径时延都一致的条件下才有意义。另一种同步方案是使用全球定位系统GPS。GPS可以提供准确的时间同步信息，但是它必须利用特殊的装置来接收卫星信号，因此并不适用于Internet 中大多数不具有GPS功能的普通计算机的时间同步。
由于NTP和GPS同步技术存在上面所提到的局限性，现有工作大多数都是针对测量端之间时钟不一致的2个方面，研究时钟偏差和时钟频差的测量估计技术。
2.1．1 时钟偏差测量方法
Luong和Biro在研究了往返方向传播时间和处理时间不一致性的基础上，提出了通过测量路径所有相邻节点对时钟偏差之和来计算两端总时钟偏差的方法。这种测量方法需要路径上所有路由器配置特殊的服务来完成相邻节点间时钟偏差相对值的交换，因此并没有获得实际的应用。
Tsuru、Takine 和Oie 的研究工作着重于对往返路径具有不同带宽条件下的时钟偏差进行测量。他们假设在测量过程中往返2个方向上的传播时延、传输时延和误差因素等都是相同的。然而，这样的假设前提在实际网络环境中很难得到保证。
最近的研究是Gurewitz、Cidon 和Sidi在提出的时延估计方法。这种方法依赖于多个节点对之间的单向时延测量值，利用整个网络的拓扑条件代替单一条件对全局目标函数进行优化求值。GUREWITZ在最小平方误差的基础上提出了改进的最大熵目标函数，对确定性时延的估计方法做了详细的讨论。该方法的局限性在于不能够对单独的路径进行测量，而是需要在包含有E条链路并由N个节点连接着的网络中选择合适的(N-1)条链路和E-(N-1)条循环路径，通过事先发送的ICMP 探测分组测量每一跳的单向时延，再进行计算估计。
2.1.2 时钟频差测量方法
根据时钟频差与单向时延测量结果的线性关系，Moon提出了一种基于线性规划的频差估计方法。此后，Wang 等人改进Moon的方法，提出了根据收集到的报文分组记录进行实时频差测量的RTSE算法。
与线性规划的基本思想不同，Zhang等人提出了基于凸包的时钟频差估计算法。该算法以落在拟合直线上的时延测量点数目最大化为优化目标，在计算复杂度、稳定性和测量精度方面与基于线性规划的方法基本一样。然而凸包集合点在实际计算中很不均匀，给同步测量带来较大的误差。
王洪波等人提出了一种消除时钟频差和时钟重置的新方法。他们首先对模糊聚类得到的频差估计值进行纠斜处理，然后采用最小滤波方法去除数据噪声，再利用“滑动检测窗口”机制检测出所有的时钟重置点，最后使用线性规划或凸包方法估计全局最优的时钟频差值，纠正单向时延的测量数据。
2.2遥操作机器人系统克服时延影响的研究发展
2.2.1基于电路网络理论的无源控制法则克服系统通信时延
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。此后，许多研究者对临场感系统稳定性的分析大都采用二端口网络的无源性定理，通过设计不同的控制算法，实现无源通讯法则来实现系统的稳定。其中主要的是利用散射理论和波变量理论。
最具代表性的是1989年Anderson R. J. 和Spong M. W. 利用二端口网络的散射理论，提出了一套能保证系统在任何时延下稳定性的无源控制算法以及Niemeyer G. 和Slotine J. J. 在1991 年提出波变量的概念，利用能量流理论来解决传输线的有源性，从而保证系统在任何时延下的稳定性而提出的控制算法。实际上，日本的Y. Yokokohji 等研究者亦利用基
于散射理论和波变量理论的二端口网络的无源性对系统进行分析和设计，并注重对系统控制策略和系统性能进行深入的理论和实验研究工作，以求解决通信时延问题。
2.2.2 基于现代控制理论的控制算法克服系统通信时延
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(μ-synthesis)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。
基于现代控制理论的系统设计方法以解决通信时延是具有潜在生命力的方法，但由于目前现代控制理论的不完善和其系统实现上的困难等原因，它对解决临场感遥操作机器人系统的通信时延问题仍存在着许多实用性困难。
2.2.3 基于虚拟现实技术的控制结构和控制算法克服系统通信时延
以上两个方向上所提出的方法是基于电路的网络理论和现代控制理论，是通过设计不同的控制算法来克服时延保证系统稳定的。实际上，许多的理论分析和实验结果，特别是Hannaford 的实验研究证实，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，并且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。因此，许多研究者将注意力转向了虚拟现实技术，提出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。
模型修正法是虚拟现实技术用于临场感遥操作机器人系统的主要方案。到目前为止，不少研究者仍在这个方案上给予很大的关注。
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%。
1989年，Buzan F. T. 和Sheridan T. B. 设计了一个力觉预测显示的实验系统。该系统使用机械手和环境的动态模型，通过提高给操作者预测的力和位置反馈信息，使得操作者能够预测时延系统的响应。1991 年，Kim W. S. 和Bejczy A. K. 等人在美国NASA 的JPL 实验室设计了力觉临场感遥控机器人仿真系统。通过模拟预测远地现场环境和机器人的运动提供给操作者实时的视觉反馈和力觉反馈。1992年，Kototu T.等人基于Bejczy A. K. 在1990 年提出的“幻影机器人( the phantom robot )”的思想，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。同年，Hirata W. 和Sato M. 设计了一套名为SPIDAR 的力显示装置，该装置通过皮带和皮带轮实现虚拟力显示。而德国针对空间机器人研究建立了实验装置ROTEX，该装置具有远地环境的三维计算机预测能力和立体显示，并指出预测显示技术是目前解决大的传输时延问题的强有力的手段，同时特别强调了虚拟环境的建模和修正。1993年，Yamamoto K. 等人提出通过虚拟环境与虚拟手交互中的变形来计算相应的交互力。1994年，Kosuge K. 等人提出建立在遥操作系统中主手、从手和虚拟环境具有表现相同动力学特性的控制方案, 并验证了其稳定性[ 24] 。1995 年, 他们又提出参考动力学!的新概念, 以此设计控制系统, 并希望操作者的操作更简便, 而且获得更加真实的临场感效果, 但系统需要对环境的精确建模。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。运用其控制算法，系统的可操作性和操作效率得到较为明显地改善，稳定性亦得到有效的保证。
针对非结构化环境无法精确建模的问题，1993年Rosenberg L. 提出采用“虚拟夹具( virtual fix tures)”的方法，不需要对环境建立虚拟模型则可以解决遥作系统的时延及力反馈问题。这些“虚拟夹具”实际上是一些在主端虚拟世界中生成的加罩在虚拟工作空间端面上的抽象的传感数据，并且它们仅与操作者(人)交互。它们可以与实际工作现场中的物体一样占居相同的物理空间而没有几何和物理上的约束。后来， Rosenberg L. 又把“虚拟夹具”用于提高“插销入孔”遥控任务的性能。结果表明，当不使用“虚拟夹具”且时延是450 ms 时，运动时间增加45%，而“虚拟夹具”的使用却提供了有效的控制(定位)，使其定位误差减少到大约3%。
3总结
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。
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