一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法和系統(tǒng)，其中，所述方法包括：遙操作系統(tǒng)在待發(fā)出的指令中加入上行郵戳信息，將指令發(fā)送至空間機(jī)器人；所述上行郵戳信息包括指令的序列信息和期望執(zhí)行時(shí)間；其中，所述期望執(zhí)行時(shí)間與對(duì)應(yīng)的指令發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差為滯后時(shí)標(biāo)，所述滯后時(shí)標(biāo)大于預(yù)測(cè)上行時(shí)延值；所述空間機(jī)器人接收到遙操作系統(tǒng)發(fā)出的指令序列時(shí)，根據(jù)指令中的序列信息對(duì)所接收到的指令序列順序整理，并將指令中的期望執(zhí)行時(shí)間與當(dāng)前時(shí)標(biāo)對(duì)比，按順序執(zhí)行未過時(shí)的指令。本發(fā)明解決了現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人在有不確定上行時(shí)延環(huán)境下，對(duì)指令的誤解讀問題，提高安全性；同時(shí)解決不確定上行時(shí)延環(huán)境對(duì)遠(yuǎn)方操作端對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)預(yù)報(bào)的問題。
【專利說明】一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法和系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]人類通過遠(yuǎn)程控制機(jī)器人執(zhí)行危險(xiǎn)任務(wù)或惡劣環(huán)境下的人物是當(dāng)前機(jī)器人發(fā)展的重要方向，遠(yuǎn)程操作與現(xiàn)場(chǎng)操作的一個(gè)重要問題就是時(shí)間延遲問題。
[0003]時(shí)延按照時(shí)延值的大小可以分為短時(shí)延和大時(shí)延。短時(shí)延一般不大于I秒，如微波數(shù)據(jù)收發(fā)、編解碼、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳遞、分布式基站間的轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)再處理等。大時(shí)延則從幾秒到十幾秒甚至幾十秒不等，例如月球與地球之間信號(hào)延遲達(dá)3秒，采用聲納通訊的水下機(jī)器人系統(tǒng)的通訊時(shí)延可高達(dá)幾十秒。
[0004]按時(shí)延值的變化與否可將時(shí)延分為定時(shí)延和變時(shí)延。定時(shí)延一般為由于物理原因(如空間跨度、傳輸/處理介質(zhì)、速度差)等不可抗因素在傳輸、處理過程中引起的信息時(shí)間延遲；變時(shí)延一般為由于傳輸、交互策略等因素引起的時(shí)間延遲，理論上有優(yōu)化的可能，實(shí)際中受技術(shù)水平的限制。時(shí)延按照產(chǎn)生原因，可分為固定時(shí)延T。、執(zhí)行時(shí)延Tp、數(shù)據(jù)時(shí)延Td和擾動(dòng)時(shí)延I；。
[0005]I)固定時(shí)延Τ。:該時(shí)延表示傳輸數(shù)據(jù)包在沒有其他干擾的情況下，經(jīng)由通訊介質(zhì)從數(shù)據(jù)源端到目的端所需的時(shí)間，包括通訊初始化時(shí)間和在介質(zhì)中的傳輸時(shí)間。信號(hào)通過傳輸介質(zhì)在兩地間的物理傳輸時(shí)間隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的物理距離的增大而增大。在遙操作中，如果遠(yuǎn)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作地點(diǎn)固定、通訊方式固定，則其Τ。為恒值；如果遠(yuǎn)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移動(dòng)的(地面、太空或水下)，但運(yùn)動(dòng)速度較慢，也可認(rèn)為Τ。為恒值。隨著移動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的加快，就需視為Τ。變化條件下的遙操作。
[0006]2)執(zhí)行時(shí)延Tp:包括控制指令的解釋、計(jì)算、執(zhí)行時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)圖像的處理時(shí)間及仿真圖像的運(yùn)行時(shí)間等。Tp與現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)的軟件、硬件、運(yùn)行策略以及具體任務(wù)相關(guān)，一般情況下Tp變化很小。
[0007]3)數(shù)據(jù)時(shí)延^= (DS+DJV。Ds、Dr是發(fā)送回收的數(shù)據(jù)總量，V是傳輸速率，與傳輸介質(zhì)有關(guān)。這一項(xiàng)的存在表明數(shù)據(jù)傳輸量和帶寬對(duì)遠(yuǎn)程作業(yè)非常重要。減少傳輸量固然能減小時(shí)延，但遠(yuǎn)端所獲取的現(xiàn)場(chǎng)信息就可能不足。高效的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和良好的通訊通道有助于解決這一矛盾。
[0008]4)擾動(dòng)時(shí)延I；:主要指?jìng)鬏斨胁豢深A(yù)測(cè)的擾動(dòng)，如信息丟失或信息次序的混亂，受網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不確定性的限制，干擾必定存在，而且隨時(shí)間的變化而變化。
[0009]如圖1所示，在無時(shí)延條件下，對(duì)于典型的某閉環(huán)回路，其相角裕度為Y。當(dāng)回路存有時(shí)延e_TS時(shí)，其相角裕度變化成為:Y-57.3° X τ。顯然，隨著時(shí)延值τ的增加，回路的相角裕度迅速下降。控制器的加入可在一定程度上彌補(bǔ)降低的相角裕度，如微分項(xiàng)“D”可以提供90°左右相角，雙微分項(xiàng)(“DXD”)可提供180度左右的相角。但當(dāng)時(shí)延值超過IOs后，經(jīng)典的控制方法已不能適用，需要更多的相角補(bǔ)償策略。[0010]如圖2所示，將控制器與被控對(duì)象構(gòu)成無時(shí)延小回路，是將時(shí)延環(huán)境排斥在控制回路外，有效保證控制穩(wěn)定性的一個(gè)基本方法。此時(shí)，時(shí)延影響僅作用于指令生成和發(fā)出端，對(duì)大回路的影響是破壞了指令產(chǎn)生的連續(xù)性，控制效果體現(xiàn)為“走一停一走”，指令生成的間隔需超過大回路中的時(shí)延值。
[0011]時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)主要影響是操作者無法實(shí)時(shí)看到當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像，從而獲得實(shí)時(shí)的視覺反饋。時(shí)延使得遙操作者發(fā)送操作指令若干時(shí)間后，才能通過延遲的視屏獲得反饋，使得操作過程失去與操作指令相匹配的因果關(guān)系，給操作者造成很大的心里負(fù)擔(dān)。為了獲得匹配的操作因果關(guān)系，操作者不得不等待遠(yuǎn)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定的動(dòng)作后再發(fā)布下一步的運(yùn)動(dòng)指令，因而效率很低。
[0012]早期采用機(jī)械聯(lián)動(dòng)的操作系統(tǒng)具有力反饋功能，而力反饋可以有效地提高遙操作的效率和操作質(zhì)量，特別是機(jī)器人末端與環(huán)境存在約束時(shí)，力反饋帶來的優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，人們同樣希望現(xiàn)代的遙操作系統(tǒng)具有力反饋功能，有學(xué)者利用雙邊力反饋控制來開展遠(yuǎn)程操作，使從手能跟蹤主手的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)能將從端的力反饋到主手上，實(shí)現(xiàn)對(duì)主手和從手的力和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行同時(shí)控制，給操作者提供實(shí)時(shí)的力反饋信息。然而，時(shí)延環(huán)節(jié)加入對(duì)力覺反饋帶來嚴(yán)重影響，因?yàn)榱τX反饋是速度反饋對(duì)時(shí)間的微分、是位置反饋對(duì)時(shí)間的雙重微分，基于力覺反饋的控制，即使只有很小的時(shí)延，也極容易導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。
[0013]遙操作系統(tǒng)作為人機(jī)協(xié)作系統(tǒng)，既要充分發(fā)揮遠(yuǎn)端執(zhí)行機(jī)構(gòu)代替人處理遠(yuǎn)程任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于遠(yuǎn)端環(huán)境的復(fù)雜性和不可預(yù)知性，又要利用人的智能處理不可預(yù)知的外界因素所產(chǎn)生的隨機(jī)事件進(jìn)行決策和規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)安全可靠的作業(yè)。由于時(shí)延的存在，操作者對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的感知是滯后于當(dāng)前時(shí)刻Ttl的，在滯后的時(shí)間段內(nèi)，遠(yuǎn)程工作環(huán)境可能已經(jīng)發(fā)生了變化，而操作者基于Ttl時(shí)刻的反饋信息所作的決策可能有誤，造成遙操作指令失效，嚴(yán)重的情況下甚至導(dǎo)致不可逆損失。
[0014]一方面，時(shí)延的存在使現(xiàn)場(chǎng)的各種信息到達(dá)操作端時(shí)已是幾秒種前的信息，從而使操作者不能及時(shí)、準(zhǔn)確地感知遠(yuǎn)端環(huán)境當(dāng)前的信息；另一方面，操作者基于這些信息發(fā)出的控制命令傳送到遠(yuǎn)端時(shí)同樣也被延時(shí)，而此時(shí)機(jī)器人和環(huán)境狀態(tài)又發(fā)生了新的變化，這些過時(shí)的控制命令極易導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，時(shí)延的存在不僅影響了操作者對(duì)遠(yuǎn)端環(huán)境的正確感知，而且更重要的是可能導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定，從而嚴(yán)重地降低了系統(tǒng)的操作性。
[0015]現(xiàn)有技術(shù)中，消除時(shí)延影響的處理思路通常為如下幾種:
[0016]1、預(yù)先編號(hào)確定的指令，機(jī)器人按預(yù)先設(shè)定程序執(zhí)行；
[0017]2、預(yù)先設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的任務(wù)處理方法，機(jī)器人按程序自主執(zhí)行；
[0018]3、執(zhí)行一段，停止一段，再執(zhí)行；
[0019]4、引入預(yù)測(cè)機(jī)制，消除時(shí)延影響。
[0020]顯然，方法I和2主要是靠預(yù)先設(shè)定，對(duì)于復(fù)雜情況的處理難以覆蓋，方法3執(zhí)行的連續(xù)性較差，方法4多依賴于預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法和系統(tǒng)，以避免由于時(shí)延而導(dǎo)致的各種問題。[0022]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法，包括:
[0023]遙操作系統(tǒng)在待發(fā)出的指令中加入上行郵戳信息，將指令發(fā)送至空間機(jī)器人；所述上行郵戳信息包括指令的序列信息和期望執(zhí)行時(shí)間；
[0024]所述空間機(jī)器人接收遙操作系統(tǒng)發(fā)出的指令序列時(shí)，根據(jù)指令中的序列信息對(duì)所接收到的指令序列順序整理，并將指令中的期望執(zhí)行時(shí)間與當(dāng)前時(shí)標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，按順序執(zhí)行未過時(shí)的指令。
[0025]優(yōu)選地，所述期望執(zhí)行時(shí)間與對(duì)應(yīng)的指令發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差為滯后時(shí)標(biāo)，所述滯后時(shí)標(biāo)大于預(yù)測(cè)上行時(shí)延值。
[0026]優(yōu)選地，所述遙操作系統(tǒng)在發(fā)出指令前，按滯后時(shí)標(biāo)預(yù)測(cè)所述空間機(jī)器人在指令期望執(zhí)行時(shí)刻的狀態(tài)，所發(fā)出的指令從滯后時(shí)標(biāo)所對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)狀態(tài)開始對(duì)所述空間機(jī)器人進(jìn)行控制，以避免發(fā)出過多的無效指令。
[0027]優(yōu)選地，所述方法還包括:
[0028]所述空間機(jī)器人在返回的下行實(shí)測(cè)信息中加入下行郵戳信息，發(fā)送至遙操作系統(tǒng)；所述下行郵戳信息包括對(duì)應(yīng)的下行實(shí)測(cè)信息發(fā)出時(shí)刻；
[0029]所述遙操作系統(tǒng)接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，按照SBOMM(Stamp-Based Online Modify Method,基于郵簽準(zhǔn)則的模型參數(shù)在線修正方法)方法消除時(shí)延影響。
[0030]優(yōu)選地，所述遙操作系統(tǒng)接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，按照SBOMM方法消除時(shí)延影響的步驟包括:
[0031 ] 步驟I，接收實(shí)測(cè)信息Y (tRn I *)；
[0032]步驟2，按時(shí)簽(tRn|*)匹配原則在預(yù)測(cè)仿真信息YGR1 I”和輸入信息UURi I*)中搜索并構(gòu)成樣本點(diǎn)
【權(quán)利要求】
1.一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制方法，包括: 遙操作系統(tǒng)在待發(fā)出的指令中加入上行郵戳信息，將指令發(fā)送至空間機(jī)器人；所述上行郵戳信息包括指令的序列信息和期望執(zhí)行時(shí)間； 所述空間機(jī)器人接收遙操作系統(tǒng)發(fā)出的指令序列時(shí)，根據(jù)指令中的序列信息對(duì)所接收到的指令序列順序整理，并將指令中的期望執(zhí)行時(shí)間與當(dāng)前時(shí)標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，按順序執(zhí)行未過時(shí)的指令。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述期望執(zhí)行時(shí)間與對(duì)應(yīng)的指令發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差為滯后時(shí)標(biāo)，所述滯后時(shí)標(biāo)大于預(yù)測(cè)上行時(shí)延值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于， 所述遙操作系統(tǒng)在發(fā)出指令前，按滯后時(shí)標(biāo)預(yù)測(cè)所述空間機(jī)器人在指令期望執(zhí)行時(shí)刻的狀態(tài)，所發(fā)出的指令從滯后時(shí)標(biāo)所對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)狀態(tài)開始對(duì)所述空間機(jī)器人進(jìn)行控制，以避免發(fā)出過多的無效指令。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 所述空間機(jī)器人在返回的下行實(shí)測(cè)信息中加入下行郵戳信息，發(fā)送至遙操作系統(tǒng)；所述下行郵戳信息包括對(duì) 應(yīng)的下行實(shí)測(cè)信息發(fā)出時(shí)刻； 所述遙操作系統(tǒng)接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，按照SBOMM方法消除時(shí)延影響。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于， 所述遙操作系統(tǒng)接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，按照SBOMM方法消除時(shí)延影響的步驟包括: 步驟1，接收實(shí)測(cè)信息Y(tRn|*)； 步驟2，按時(shí)簽(tRn|*)匹配原則在預(yù)測(cè)仿真信息?(〖Π, |〃)和輸入信息UURiI*)中搜索并構(gòu)成樣本點(diǎn){Y(tRn I *),Y(tRn I *)，U(tRn I *)}; 步驟3，實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測(cè)誤差RtRn I *) = ||Y(tRn I *)-Y(tRn I *)| ,當(dāng)可tRn I *) > E時(shí)，建立同態(tài)模型G并將其反演至tRn時(shí)刻，并轉(zhuǎn)入步驟4 ；當(dāng)^tRn4門> E且鄧R n I V E時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟5 ;當(dāng)e(tRn, \*)<E且可tR nn< E時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟7 ； 步驟 4，將 e(tRn 11)及樣本點(diǎn){Y(tRn -h I OiYORi1-h 丨 I), U(tR? -h 11)}代入下式對(duì)小/R11)進(jìn)行修正，然后返回步驟I進(jìn)行滾動(dòng)修正；A(tRn) = A(iR ) + r(iR ?).P(iR |M).X(tRn - h).c(iR ? 11)
P(tRn) = PUR^1)-y (tRn).P(tRn_!).X(tRn-h).Xt (tRn_h).PaRnJ
Y (tRn) = 1/[1+XT (tRn-h).P(tRj.X(tRn-h)]
其中:X(tRn -h) = [Y(tRn -h),U(tRn -h)]T ； 步驟5，將Y(tRn|t)作為初值代入同態(tài)模,?中，并由當(dāng)前的修正時(shí)刻tB(tB = tRn)加速至當(dāng)前預(yù)測(cè)時(shí)刻tF (tF = t),得到f(tF I tF)和A(tB)； 步驟6，更新模型
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于， 所述遙操作系統(tǒng)接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，若實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)不充分，按照SBOMM方法消除時(shí)延影響的步驟包括: 步驟1，接收實(shí)測(cè)信息Y(tRn|*)； 步驟2，按時(shí)標(biāo)(tRn|*)匹配原則在預(yù)測(cè)仿真信息WtRl Ihs)和輸入信息UURiI*)中搜索并構(gòu)成樣本點(diǎn)_!Y(lRD HMtmudR,, |*)!_ ；
步驟3，實(shí)時(shí)計(jì)算預(yù)測(cè)誤差抑Rn I *) = ||Y(tRn I *)-?(tRn I *)||，當(dāng)RtRn I > E時(shí)，建立同態(tài)模型G并將其反演至tR?時(shí)刻，并轉(zhuǎn)入步驟4 ；當(dāng)e(tR_,_丨I *)> E且可tRn I *)<E時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟6 ;當(dāng)印Rih I*) SE且印R11 I *)< E時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8 ; 步驟4，將YUIV1卜)代入平滑器中，得?(0^-h|*)和？(tRn I*)； 步驟5,計(jì)算&的誤差§(tRn 11)= Y(tRn I t)-Y(tRn卜)，當(dāng)MtRn |t)<E時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟6沿則將啡^^及樣本點(diǎn)丨？^-!^),"^!^-!^)”^^!^)代入下式對(duì)人(tR,,)進(jìn)行修正，然后返回步驟I進(jìn)行滾動(dòng)修正；A(iR?) = A(lR) + /(IR?).P(lR)-X(iR? — H).c(iRu ι)
P(tRn) = PaRn^1)-Y (tRn).P(tRn_!).X(tRn-h).Xt (tRn_h).PaRnJ
Y (tRn) = 1/[1+XT (tRn-h).P(tRj.X(tRn-h)] 其中:X(tRn-h) = |S,(tRn-h),U(tRn-h)]T ； 步驟6，將Y(tRn|t)作為初值代入同態(tài)模型0中，并由當(dāng)前的修正時(shí)刻tB(tB = tRn)加速至當(dāng)前預(yù)測(cè)時(shí)刻tF(tF = t)，得到V(lF| tF)和A(tB)； 步驟7，更新模型
7.一種不確定雙向時(shí)延條件下的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其特征在于，包括遙操作系統(tǒng)和空間機(jī)器人， 所述遙操作系統(tǒng)用于在待發(fā)出的指令中加入上行郵戳信息，將指令發(fā)送至所述空間機(jī)器人；所述上行郵戳信息包括指令的序列信息和期望執(zhí)行時(shí)間； 所述空間機(jī)器人用于接收遙操作系統(tǒng)發(fā)出的指令序列時(shí)，根據(jù)指令中的序列信息對(duì)所接收到的指令序列順序整理，并將指令中的期望執(zhí)行時(shí)間與當(dāng)前時(shí)標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，按順序執(zhí)行未過時(shí)的指令。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述期望執(zhí)行時(shí)間與對(duì)應(yīng)的指令發(fā)出時(shí)刻的時(shí)間差為滯后時(shí)標(biāo)，所述滯后時(shí)標(biāo)大于預(yù)測(cè)上行時(shí)延值。
9.如權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述遙操作系統(tǒng)進(jìn)一步用于，在發(fā)出指令前，按滯后時(shí)標(biāo)預(yù)測(cè)所述空間機(jī)器人在指令期望執(zhí)行時(shí)刻的狀態(tài)，所發(fā)出的指令從滯后時(shí)標(biāo)所對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)狀態(tài)開始對(duì)所述空間機(jī)器人進(jìn)行控制，以避免發(fā)出過多的無效指令。
10.如權(quán)利要求7或8所述的系統(tǒng)，其特征在于， 所述空間機(jī)器人進(jìn)一步用于，在返回的下行實(shí)測(cè)信息中加入下行郵戳信息，發(fā)送至所述遙操作系統(tǒng)；所述下行郵戳信息包括對(duì)應(yīng)的下行實(shí)測(cè)信息發(fā)出時(shí)刻； 所述遙操作系統(tǒng)進(jìn)一步用于，接收所述空間機(jī)器人返回的下行實(shí)測(cè)信息，根據(jù)其中的下行郵戳信息，按 照SBOMM方法消除時(shí)延影響。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK104015190SQ201410200850
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】張珩, 李文皓, 馬歡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所