临场感遥操作机器人综述

［关键词］　遥操作机器人；临场感

[Abstract]　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｖｉｓｉｏｎ　ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｆｏｒｃｅ　ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔａｃｔｉｌｅ　ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ，　ｍｏｔｉｏｎ　ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｔ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ－ｄｅｌａｙ　ｏｎ　ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｉｔ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ　ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ　ｗｉｔｈ　ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｕｌｔｉｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ｆｕｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｈｕｍａｎ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔ．[Keywords]　Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ；Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ

０．　引言

遥操作机器人（Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ）是指在人的操作下能在人难以接近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。临场感技术（Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ）是以人为中心，通过各种传感器将远地机器人与环境的交互信息（包括视觉、力觉、触觉、听觉、运动觉等）实时地反馈到本地操作者（人）处，生成和远地环境一致的虚拟环境，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对机器人带感觉的控制，完成作业任务。临场遥操作感机器人的实现不仅可以满足高技术领域发展的急需，如空间探索（卫星的修理，空间站的维护，月球、火星等行星的勘探）和海洋开发（海洋资源调查，深海打捞，水下电缆修理，海洋钻井平台维护，海底考古等）以及原子能应用，而且可以广泛地应用于军事领域（战场、防化、扫雷、救护等）和民用领域（远程医疗、远程教育、远程科学实验、旅游娱乐等）。在这些场合中，遥操作机器人的应用使人摆脱了传统的操作者的角色，由直接操作（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）变成了遥操作（Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ）。机器人技术与应用　４２

遥操作不同于遥控，远方作业机器人是人类行为能力的延伸，其行为能力可通过“遥控（Ｔｅｌｅｃｏｎｔｒｏｌ）”和“遥操作（Ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ）”来实现，香港中文大学的刘云辉教授通俗易懂地揭示了“遥控”与“遥操作”的区别：人在控制远方的机器人进行作业的同时，又必须得到机器人在“知觉”上的反馈，是否有足够的“知觉反馈”是“遥操作”区分与通常所说的“遥控”的要素之一。具有临场感的遥操作与无临场感的遥控相比，在提高机器人的作业效率、作业精细程度等方面有着不可比拟的优点，因为临场感技术将人的经验、技能与远方机器人作业紧密结合在一起，使人可以自然和本能地控制机器人的作业，充分利用了人所固有的感觉和反应能力，实现了机器人与人脑的协调。

临场感遥操作机器人技术隶属于虚拟机器人研究领域，智能机器人研究的现状表明，由于受到机构、控制、传感器以及人工智能水平的限制，研究出能在未知环境中全自主方式工作的机器人是目前难以实现的目标。由于这个原因目前广泛采用的仍然是遥操作机器人技术，同时，遥操作加部分自主操作的控制方式对智能机器人从

２００４．１实验室走向实用也起着重要作用，最好的例子就是美国ＮＡＳＡ的空间机器人Ｓｏｊａｎｏｒ，其工作环境的非结构化和不确定性，要求机器人不仅具有行走能力，而且还要具有对外界的感知能力和局部的自主规划能力。近年来，遥操作机器人技术在国外已引起广泛关注，尤其是美国、日本、英国和德国在这方面已取得了相当的研究成果，我国虽然起步比较晚，但自从８６３计划将临场感遥操作机器人技术作为智能机器人主体的关键技术开展研究以来，也取得了可喜的成果。下面分别就视觉临场感、力觉临场感、触觉临场感及运动觉临场感等在遥操作机器人中的研究现状做一简单综述。

的视线变化，使立体摄像系统做出同步的姿态随动。确切地说视线的跟踪是人眼球运动的跟踪，但在目前的条件下还很难实现人眼球运动的跟踪，一般用头部运动近似替代眼球运动。

视觉临场感系统中的主要设备有：立体摄像设备、头盔系统及视觉生成及显示设备，目前此类设备已经商品化。

完美的视觉临场感使操作者能够真实立体地监视到机器人在环境中的位置信息，实现人类视觉与机器人视觉的完美结合，从视觉上扩展了机器人的行为能力。

２．　具有力觉临场感的遥操作机器人

当遥操作机器人对操作对象进行接触作业时，如抓取、扭转、插入等，环境的动力学特征显得尤为重要，这些操作中７０％的信息通过力觉来提供。力觉临场感是指将遥操作机器人与环境的相互作用力通过传感器实时反馈到本地操作者处，使操作者产生身临其境的感受，从而实现对遥操作机器人实现带力感觉的控制。

力觉临场感机器人系统一般由操作者、手控器（或主机器人）、通讯环节、遥操作机器人（或从机器人）和环境几部分组成。如图２所示：操作者操纵手控器（或主机器人），控制指令通过通讯环节到达遥操作机器人（或从机器人）并控制其对环

１．　具有视觉临场感的遥操作机器人

机器人有一个活动空间和操作对象——环境，环境呈现一定的几何特征和动力学特征，与视觉临场感相联系的是环境的几何特征，因此视觉临场感在遥操作机器人行走、接近目标等非接触作业时显得尤为重要，国内外对这一技术的研究比较早也比较成熟。

遥操作机器人视觉临场感系统的一般构成见图１：系统由视景生成和视景匹配两部分组成，视景生成部分的功能是从立体摄像系统获取机器人的立体视觉，并将这一视觉呈现给操作者，视景匹配部分的功能是通过实时在线监测操作者

图１　视觉临场感系统组成框图

图２　力觉临场感机器人系统组成框图

　　　　　４３机器人技术与应用技术应用２００４．１力—位置型、力反馈—位置型到目前的各种方案，目的都在保证系统稳定的前提下，提高系统的操作性能。

　　　在没有力反馈的遥控机器人系统中，机器人严格１临场感对提高遥操作机器人的行驶性能以及在行驶过程中的操作性能无疑起着重要作用。虽然运动觉相对于视觉对操作者来说不是必不可少的，但在视觉临场感的基础上增加运动觉临场感，使操作者更逼真地沉浸于实际环境之中，身临其境地控制和操作遥点机器人。

具有运动觉临场感的遥操作机器人系统组成如

图３　触觉临场感机器人系统组成框图

图４所示，该系统运动觉的识别由加装在遥操作机器人上的６个加速度传感器实现，反馈回来的信号标志着机器人姿态和运动信息，利用反馈信号控制驱动６自由度运动模拟器实现运动觉的再现。

境所施加的作用，遥操作机器人（或从机器人）对环境的感知力转换为反馈指令，通过通讯环节返回手控器（或主机器人）并使其对操作者产生相应的力觉反馈。

力觉临场感系统核心是手控器，手控器起着力反馈和力控制的双重作用，他将操作者的操作、控制意图准确地转换为控制遥点机器人的控制指令，同时逼真地再现遥操作机器人的受力状态。手控器包括滑杆、空间鼠标、空间球、关节型和直角坐标型等多种形式。从控制角度出发，力觉临场感遥操作机器人系统主要通过双向力反馈控制来实现，双向力反馈控制是指：手控器（或主机器人）与遥操作机器人（或从机器人）之间的运动和力觉的交互反馈控制，其控制结构从早期的位置—位置型、

３．　时延问题

对于远距离工作的遥操作机器人来说，时延问题已成为影响临场感遥操作机器人系统稳定性、可操纵性以及透明度的突出问题。时延主要是由长距离通讯造成的，包括控制指令的延迟和遥测信号的延迟，比如：处于近地轨道上的运载装置，信号的往返时间最小为０．４ｓ，月球或月球附近的装置，这种间隔为３ｓ，无缆水下遥操作机器人与操作者之间的通讯时延可达十几秒，利用Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络进行通讯时同样存在时延问题，沈阳到香港间ＲＴＴ（Ｒｏｕｎｄ　Ｔｒｉｐ　Ｔｉｍｅ）的平均值在１７００ｍｓ２０００ｍｓ左

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图４　运动视觉临场感遥操作机器人系统

机器人技术与应用　４４

技术应用２００４．１右。对于未处理时延影响的遥操作机器人系统，必须采取“运动——等待”的阶段式工作方式，即使是要完成比较简单的工作也需要比无时延情况下长得多的时间，同时操作者与机器人间的时延也严重降低遥操作机器人系统的稳定性和透明度。

处理时延问题的方法主要有：对于工作在结构化环境中的遥操作机器人，在建立环境模型的基础上采用虚拟现实技术建立临场感交互控制界

面，图５为遥操作机器人虚拟现实系统框图。在该系统中，主机器人（手控器）一端建立虚拟环境和虚拟从机器人，操作者操纵主机器人一方面控制虚拟从机器人（与虚拟环境接触，并实时感受其相互作用）；另一方面通过时延环节控制远地从机器人（与环境接触）。若虚拟环境与虚拟从机器人等效与实际的远地环境和从机器人，则操作者实时地操作虚拟从机器人和虚拟环境接触就等同于操作者延时地操纵从机器人同真实远地环境接触，就可完全消除延时的影响，采用虚拟现实技术的关键是虚拟环境模型的建立。对于工作在非结构化环境中的遥操作机器人，由于不能预先建立精确的环境模型，所以不能单纯地采用虚拟现实控制技术，目前主要采用预测控制技术，日本的ＥＴＳ－ＶＩＩ，德国的ＲＯＴＥ和美国的ＮＡＳＡ进行的遥操作实验都采用了这一方法，即根据当前的信息和历史的信息预测未来的输出，这项技术还处于研究阶段。

在机器人与人的关系上，机器人系统不应完全把人排斥在外，特别是那些操作过程难以预知的工作或对偶发事件的处理，需要借助于人的智慧和经验才能完成。由于有了临场感的帮助，使人可直观地参与现场活动，从而可以胜任目前尚不易传感和难以自动控制的作业，通过人机的合理分工，就可以极大地简化系统和降低系统成本同时扩展机器人的行为能力。然而，目前对视觉临场感、力觉临场感、触觉临场感、运动觉临场感及其相互间的融合技术的研究还没有达到令人满意的程度，有待于研究人员从不同角度进行深入研究。科学的进步与技术的创新为机器人的研究与应用开辟了广阔的思路和空间，有关临场感遥操作机器人技术的研究和应用将不断地深入和发展，临场感技术实际上是一个多传感器、多信息融合的人机交互技术，已经成为当前机器人领域的一个研究热点，今后的研究重点是：临场感遥操作虚拟现实技术研究；视觉、力觉、触觉及运动觉的多信息融合技术研究；大时延及变时延条件下，提高临场感遥操作机器人系统稳定性、可操纵性和透明度的研究。可以想象，操作者在高度的临场感系统中，身临其境地操纵着空间或海底探索机器人终究有一天成为现实。　　　　参考文献１１篇（略）

图５　遥操作机器人虚拟现实系统框图

４．　结束语

两院院士宋健指出：“机器人学的进步和应用，是２０世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。自二十世纪八十年代以来，遥操作机器人技术已逐步进入广泛的实用化阶段，人们的注意力从主从遥控机器人的机械结构设计方面转向提高系统的人机交互能力上来。

　　　　　４５机器人技术与应用