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1、机器人遥操作技术,介绍一下机器人遥操作的产生背景 实验室遥操作的发展现状 国外遥操作的基本情况 翻译一篇关于多机器人之间通信的论文,摘自IEEEROBIO2004,一.机器人遥操作系统产生的背景,机器人遥操作产生的背景:机器人遥操作是指操作人员监视和控制远方机器人完成各种作业，从而使机器人能够代替人类在一些无法触及的、甚至一些危及人类健康或生命安全的环境下完成各种任务,二.实验室关于遥操作的简介,无线局域网,遥操作命令,反馈信息,通信、视觉 计算机,机器人本体控制 计算机,Memory Link,Built in robot,Wireless Lan,Motion command,Sensor
2、 Data,Communications CPU,Control CPU,Memory Link,Built in robot,Sketch map of the remote cockpit,Input Unit,Keyboard,Joints motion data,Image of Scene and location,Feedback,Control PC,Humanoid Robot,Wireless PC Card,Wireless Route,Manipulator,System scheme,System Design,Microphone,三.国外遥操作技术的发展现状,概 述
3、,日本的仿人形机器人遥操作系统,关于多机器人之间的通讯,摘要:通信在多机器人系统中起着非常重要的作用,自从高效而且相对低代价的无线局域的出现,将其运用于多机器人的无线通信中已经成为实际的方法.无论如何,在一个有多个机器人的大系统中,为所有的机器人在同一时刻交互信息已经变得困难,因为通信的能力是有限的.在这个情况下,就需要有一个有效的而且高可靠性的通信网络。这篇论文提出一些无线通信方案和他们的应用。最后，得出一个结论在这个领域。,1.介 绍,商业机器是首次被PLANNET公司1959年介绍的，它们是可以编程的机器，通过小的开关和凸轮和做一些简单的拿和放的工作。在70年代早期，商业的机器人的基于数
4、字计算机的控制器已经实现，在80年代，机器人中已经引入了大量的多计算机的结构。在80年代后期，当很多研究人员开始在多运动机器人系统中研究时，分布式的机器开始出现了它的雏形。,自从人们开始研究分布式多机器人群体之间的通信已经被广泛的研究，为了在一群机器人之间成功的控制和使其协同，主要依赖于机器人内部的有效的通信。一些研究人员已经开始研究多机器人在各种不同的任务中如何执行，而且已经总结出这种通信在特定的任务中所有的优点。另外，这些研究人员已经发现，在许多情形下，即使通信中的少量的信息都是很有用处的。 在这篇论文中，讨论多机器人通信领域中的一些通信方法和协议。在文章中提到了一些操作是估计一个通信系统
5、的标准。将各种通信方法分类对设计多机器人通信系统有用的。,在多机器人系统当中的一些通信方法，如何，估计代价，无线网络分层模型和能量最优化协议。第三部分讨论和比较了现存的通信方法。第四部分举了一些应用的例子。最后，在第五部分给出文章的要点总结和一些未来的工作。,2.多机器人通信网络,代价估计 为了确保多机器有效的可靠的协作，多机器人通信系统必须保证以下的要求： 低的反应时间：为了支持在代理之间的实时，最关键的是通信系统有能力在低的反应时间内发送消息。 灵活性：由于多机器人队伍多是频繁被组建的，所以重要的是新的设备能容易的组合。通信模型也可以完成队伍的模型。 容错性：为了达到可靠的和有效的操作，通
6、信系统能够发现错误和恢复这是很重要的。而且单个模型的损坏不会使整个系统瘫痪。,B无线网络和分层模型 自从高效的低代价的无线局域网络技术的出现，将其应用于控制多机器人上已经很普遍了。 有三种传输技术：红外线，窄带微波，和展布频谱技术，每一种技术都有其自身的优点和缺点。红外线局域网通过红外线来传输数据。主要的缺点是很容易被阻隔，因为光波是不能够通过固体的。窄带微波的主要缺点是所用的频带需要有通信委员会许可。展布频谱技术是一种被广范应用的技术。有三种主要的方法来发送一个信号光谱：（跳频技术FHSS），通过快速的开关运送都的频率。直接序列展频技术（DSSS）通过伪随机二元序列来达到同样的效果，还有一种
7、混合式的展频技术。,In the early robot wireless communications, infrared technology was applied in a large scale 8,9 because of its low cost. But infrared systems have poor communication rate and quality. Therefore, radio frequency (RF) and spread spectrum technologies are more preferred in the design of mult
8、irobot communication. Robots can communicate with others by RF point-to-point link or broadcasting mechanism 10. The spread spectrum modulation technologies are extensively applied at the Industrial Scientific Medical (ISM) band (2.4GHz), which is license-free in many countries 11. Multirobot wirele
9、ss networks provide the networking infrastructure to support the quality of service (QoS) needs (bandwidth, latency and reliability) of robot communications. They must support: quick reconfiguration (802.11, token ring), mobility management (mobile IP, AODV), service levelagreement (SLA) management,
10、 and QoS (mobile Internet Protocol). Figure 1 gives the layered model (OSI based model and TCP/IP based model) of multirobot wireless networking.,在早期的机器人无线通信当中，红外技术被广泛的应用，由于它的低廉的成本，但是由于红外系统低的传输率和质量。因此，（无线电频率RF）和（展布频谱技术）在设计多机器人通信系统中多为首选。机器人可以和其它机器人之间通信通过（无线电频率RF）点对点的连接或者是广播机制。展布频谱模型技术被广泛的应用于ISM，这个是在多
11、个国家被许可的,多机器人无线网络提代了一种基础设施来支持服务质量（关于机器人通信的带宽、反应时间和可靠性QOS）。它们必须支持：快带的重新配置（802.11，TOKEN RING），灵活性的管理（变动IP，自组网AODV），（服务器质协议SLA）管理，质量服务（移动互联协议）。图1给出了分层模形（OSI开放式系统互联参考模型TCP/IP基础模型）关于多机器人无线网络。,在多机器人互相协作的系统中，通信在它们之间起着非常关键的重。每一个机器人能需要互相交换自己从传感器收集到的信息和其它机器人协商自身的任务时间。，这些机器人的通信是随机的通过机器人的无线通讯而被执行。,C能量最优化协议 选择一个合
12、适的通讯协议对于多机器之间协作也是十分重要的。通常来说，在多机器人系统中所用的通信协议，遵循OSI（开放式系统互联参考模型）和TCP/IP（传输控制协议/网际协议）参考模型，包括IEEE802.11，TCP/IP或UDP/IP，HTTP，CSMA/CD（载波侦听多址接入/碰撞检测协议）或CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突防止），TDMA，TOKEN RING或TOKEN BUS。他们之间的关系在表一中。由于大多数的机器是主要用的是电池的能量，因此使它们所耗能量最小化有着重要的意义。下面，我们讨论在MAC（介质访问控制）层，网络层和传输层的协议。,MAC层主要的功能是提供控制，信道的分配，还
13、有邻居列表的管理。它也完成能量控制确保能量的节省。低能量分布MAC设计的主要原则包括避免撞突，减少协议之间的OVERHEAD，和在空闲时间能量关闭。研究人员已经开发了一些能量观测的MAC协议：载波侦听多路复用（CSMA），频分复用（TDMA）和电气和电子工程师协会的802.11规则手则。 CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)或CSMA/CA（带有避免冲突的载波侦听多路存取）是一种广泛被应用在多机器人通信系统中的协议。它对在网络中的数,据传输有着重要的影响，特别是当网络系统为忙时。在CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)，当一个节点想发磅数据时，它必须首先访问传输媒体和感知
14、信道是否空闲。如果信道正在忙的话，这个节点就等待和经过一个随机的时间再次检查信道的状态。如果信道是空闲的，那么节点开始传输它的数据。图2描述了CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)管理数据流避免和检测冲突。 TDMA（频分复用）协议已经被提议来减少能量在传感器网络中。为了减少任务周期，这些协议可以为反应时间处理空闲时间的能量消耗。无论如何，冲突 。,IEEE802.11标准是一种被广泛应用的无线网络标准，它构成了OSI开放式系统互联参考模型的第二层的低的部分，和第一层物理层。它指定了两仲裁方案，被应用于两种可选的周期。一个方案是基于CSMA和允许冲突发生在媒介的，别一个仲裁方案是排除
15、在媒介中的冲突。当无线数据传输在一个低的速率上,结论依就存在。 能量的保存应该被认为不只是在MAC，网络层和传输层，而且也在应用层。未来的工作需要在多层网络中有综合能量保存的想法。,3、多机器人通信方法和相关的工作,在一组无线网络所组成的机器人当中，成功的控制和协作依赖于有效的内部机器人之间的通信。多机器人通信方法应该无关于不可预料和高动态性的环境。下面，我们将讨论和进行比较。 内在和外在的通信 在合作代理间的通信被认为不是内部的就是外部的方法。外部的通信被定义为是一种明确的按设计动作单独去传递信息给这个小组的其它机器人。相关的例子在一些论文中可以找到1415。另一个方面，内部的通信作为机器人
16、动作的 ，或是通过这种方式它们改变环境。,被多种复杂的机器人协作系统中使用的技术是外在的通信。Easton和Martinoli提出了三种通信方案，两个是基于内部方式的通信（机械的互相作用和视觉）还有一种是基于外部的通信模式（红外信号）。它们模拟了三种通信方案表明了外在的通信要优于内部的通信方案。不幸的是，当于移动代理密度的增加，通信带宽变得越来越拥挤，需要小心的设计协议。事实上，内部的通信协议提供了一些直接的优点优于外部的通信.，由于外部通信需要一事实上的信道宽度和基站。Pagello al和Pereiraet al.表明了尽管组织一个机器人队伍，当部内部方案可用时，外部通信并不是关键。另一个
17、例是由StiwellTt和Bishop19，使用内部通信可以减少外部通信所用的数量,B全局和局部的通信 在机器人之间的通信可以被分为局部的和全局的形式。全局通信，就是每一个代理和其它的通信时，在早期的只包括不多的机器人的时侯就被利用。近来，Das et al.介绍一个网络，当地的协作允许每一个机器人去估计它的相对的关于它的邻友的位置和方向，因此通过全局通信形成信息。然后，全局的通信也有其自身的缺点：（a）当一个通信媒介被分配给多个机器人时，其效率就会变低，就像是广播网络。（b）如果是中央管理在系统中的通信时，增加负载会引起通信的瓶颈和不充分容错（fault-tolerance）。,由于前述的原
18、因，局部通信也就是每一个机器人从有限的几个机器人上接收和发送信息在一个有限的范围内，已经被频繁的应用于目前的研究。Eiichi et al比较了局部的和全局的通信，通过单位时间内信息的传输量就像在索引23中用的，他给出了如下的结果：（a）当多个机器人传输信息给相对少的机器人时，局部的通信是有效的；(b)当一些机器人传输信息到相对多的机器人时，全局通信是有效的。因此，Kume和Rizzi综合了全局通信和局部通信在小型的工厂里，那里局部通信是使代理执行实行协作的主要方法，然而全局通信是局部通信方法的补充，在交换滞后的一些数据时。,C.同步和异步的通信 还有一种多机器人通信方法的分类：同步和异步。同
19、步机制是一种使用阻塞技术来控制数据流。在这种情况下，当发送消息时，发送端一直处于挂起状态直到接收到目的端的确认信息。阻塞技术是一种常被使用来命令/反应信号。 阻塞技术有它自身的优点和缺点。由于在同步方式下在一个给定的时间内只能有一个消息存在，扩展信息队列在源端或目的端并不是必需的，可以容易的实现。无论如何，阻塞技术由于它限制并行处理所是不是充分有效的。当处理一条消息时，它必须等待直到全部的消息被发送出还有被目的端确认。因此，同步方式协议适应于紧固的分布式的环境，但是非常限制在松的环境。,对比于同步通信方式，异步机制的发送过程不必等待接收到确认的消息。最简单的异步模式用户机/服务器交互也就是对话
20、，用户要求的服务都是服务器先给予的。这里有两种服务：自带寻址信息的,独立地从数据源行走到终点的数据包和虚拟回路。自带寻址信息的,独立地从数据源行走到终点的数据包的服务是无连接的，它的消息发送不能保证是按照正常顺序，可靠的和不重复的。因此，有时被称为“面向处理的”通信，由于每一个自带寻址信息的独立地从数据源行走到终点的数据包描绘了一个完整的和独立的转输。不同于自带寻址信息的独立地从数据源行走到终点的数据包，虚电路服务维持有网络连接直到用户决定终止传输。因此，经们有时被称为“端对端”或者“面向连接的”。异步的通信应用可以在25中看到。,在异步的通信中，程序的延迟在传输消息过程中的确认并不是必需的。
21、无论如何，这个可能要求消息传输。而且，异步通信倾向于比同步通信要求高标准，编码复杂。（如，用户必须预期在从源端到目的端传输过程中的阻塞的可能性）。因此，同步方法比异步方法在多机器人通信系统中更为通用。 多机器人通信的应用 在发展多机器人系统一个重要的推动力是，其潜在的可以减少人类在危险应用中的出现。由于低的代价解决方案和有效的协作，无线通信提供在多机器人网络中。在下面的应用中，它被应用于改善一个多机器人系统的健壮性和可量测性。,无人的工具 无人驾驶的空间车和无人的水下车作为一种可行的和有效的可选择的工具在空间和海洋监视中。这些队体必须在遥远的地方不用或者很少用基础设计施，因此无人驾驶的自治的（
22、UAV和UMV）队伍需要专门的无线网络通信系统。 救援和防御操作 机器人队伍可以在灾难防御（如地震营救或核电厂事故）中扮影重要的作用。 机器人足球比赛 在28，不同类型的机器足球玩家参加了不同的正式的机器人足球比赛，例如，（国际机器人足球联合会）FIRA杯，CENDORI和SOCCERBOT应用基于802.11标准的无线局域网设备。,4总结和未来的工作,为了确保多机器人队伍有效的可靠的协作，在机器人之间合适的通信是十分必需的。在一些问题上已经取得一切进步，例如设计结构，相互通信的协议。一个合适的通信系统可以通信如下的几点评价：低的反应时间，灵活性和容错性。 如上所述，目前在多机器人通信上的工作
23、被集中在表述的语言和基础上。另外，工作已经延伸在多机器人通信中的容错，如建立和维护分布式的通信网络和确保通信的可靠性。在这个问题上，Wei-Min et sl,指出了一个重要的方面，测试在模型之间通信适应性，重新配置机器人。在这些系统中的一个挑战是如何维持通信，曾致在机器人之间动态的和非预期的改变连接。,展频 (Spread Spectrum),展频技术主要又分为跳频技术及直接序列两种方式。而此两种技术是在第二次世界大战中军队所使用的技术，其目的是希望在恶劣的战争环境中，依然能保持通信信号的稳定性及保密性。对于一个非特定的接受器，Spread Spectrum所产生的跳动讯号对它而言，只算是脉
24、冲噪声。因此对整体而言是一种较具安全性的通讯技术。,跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS),跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum；FHSS)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔 (Dwell Time)为400ms,直接序列展
25、频技术(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS),直接序列展频技术(Direct Sequence Spread Spectrum； DSSS)是将原来的讯号1或0，利用10个以上的chips来代表1或0位，使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。而每个bit使用多少个chips称做Spreading chips，一个较高的Spreading chips可以增加抗噪声干扰，而一个较低Spreading Ration可以增加用户的使用人数。,Ad-hoc,构成一种特殊的无线网络应用模式，一群计算机接上无线网络卡，即可相互连接，资源共享，无需透过Access Point.,Infrastructure,一种整合有线与无线局域网络架构的应用模式，透过此种架构模式，即可达成网络资源的共享，此应用需透过Access Point.,anthropomorphic robot 人形机器人 Humanoid robot 仿人机器人 Marker 标识 Motion analysis 运动分析 Motion capture 运动捕捉 Kinematics 运动学 Dynamics 动力学,CSMA/CD 载波侦听多址接入/碰撞检测协议 CSMA/CA 载波监听多路访问/冲突防止 TDMA 频分复用,