1、电子科技大学硕士学位论文基于网络面向柔顺运动的机器人遥操作系统研究 姓名：孙建华申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：范守文 20040501电子科技大学硕士学位论文 ，（）， ，：，一， ，独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：望！鏖竺日期：。牛年月日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电
2、子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 签名：尘鲻导师签名：蛰字支日期：。年年写月砧日电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论课题相关内容的研究现状及发展趋势机器人研究现状基于网络的机器人控制技术从初期的遥操作机器人的应用逐渐扩展到自主机器人和分布式机器人系统等研究领域。通过因特网对机器入实施实时控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人
3、远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景。目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下个方面： （）工业机器人操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展。 （）机器人控制技术：重点研究开放式，模块化控制系统，人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于机网络式控制器已成为研究热点。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。 （）多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传
4、感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化。 （）机器人的结构灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。（）机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技 术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 （）虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 （）多智能体（）调控制技术：这是目前机器人研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的
5、通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。 （）微型和微小机器人技术（）：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去的研究在该领域几乎是空白，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响。微小型机器人技术的研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。（）软机器人技术（）：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人设计未考虑与人紧密共处，因此其结构材料多为金属或硬性材料，软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的，机器人
6、对人是友好的。 （）仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究随着互联网的应用日益普及，信息共享的程度不断提高。如何通过互联网共亨以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备的信息，成为当今电子界的热门话题。传统的互联网应用是以为中心，如今，互联网应用正在电子科技大学硕士学位论文转到以嵌入式设备为中心。（）概念现在甚为流行，这表明互联网应用进入嵌入式互联网的时代已经来临。据网络专家预测，将来在互联网上传输的信息中，有的是来自小型嵌入式系统“。基于网络的机器人控制技术研究现状与发展基于网络的机器人的思想是由于年春首先提出的。其最初的构想是给公众提供器人的发展可通过万
7、维网访问的遥控机器人，并支持用户对其实施远程操作。这一构想极大扩展了于年前提出的遥操作概念，它使得全球的网络用户都可通过提供的低成本且能被广泛应用的接口来访问并共享远程资源。很快就将这一构想应用到中。这一计划是采用安装有摄像头和气囊系统的工业机器手在装有沙子并埋有人造物的半圆形工作空间中实施发掘工作。是第一个基于万维网的机器人。在年月到年月问，有超过，的独立主机访问过其在南加州大学的遥操作控制主页（！型型：坚！塑！）“。年被所取代，新计划中仍是采用装有摄像 头的机械手复合其它机构通过万维网给网络用户提供远程培植操作。几乎同期与的向网络用户开放的遥操作机器人还有西澳大利亚大学研发的安装有固定摄像
8、头并具有六自由度的机械手臂，它支持网络用户在工作空间中实施用积木建造复杂建筑的操作。继和的开创性工作之后，越来越多的学者投入到基于网络的机器人技术的研发工作中来。如（美国航空航天局）的些专家开始研究通过万维网对空间飞行器实施遥操作的可行性。年，研制了一种远程医疗机器人系统。还有一些学者如，等对通过专线实现的遥操作理论如何应用到有不可预测时滞的因特网上进行了讨论 国内在基于网络的机器人控制技术领域的研究工作比较有限，其工作主要集中在通过因特网实现遥操作技术的研发，如中科院沈阳自动化所、华南理工大学等单位。此外还有一些学者致力于网络机器人所涉及的通讯技术的研究。 国内一些高科技企业也对网络机器人应
9、用于服务业和娱乐业的前景非常看好。基于网络的机器人远程控制技术不仅在传统的机器人遥操作领域中有着广泛的应用，随着因特网的迅猛发展，它在许多新兴领域中也有良好的应用前景，如应用于自主机器人系统、远程制造业、远程培训、分布式制造系统以及家用机器人和娱乐机器人等领域。下面就按照网络技术在机器人学中不同的应用方向及不同的技术侧重点，从基于因特网的遥操作技术、基于网络的自主移动机器人控制技术、基于中间件技术的分布式机器人系统和分布式机器人软件库几个方面来进一步讨论（）基于因特网的遥操作技术遥操作系统允许操作者通过主从机器人来实现对远程设备的控制。它主要应用于空间技术、核废料的处理、显微外科、微电子装配、
10、水下操作、采矿业及消防救援等方面。遥操作系统包括操作者、主设备、通讯通道、从机器人和远端环境。主机器人设备核心是力反馈操纵杆，而从机器人可为任意类型的设备。设计并安装于机器人上的双工控制器负责主从设备间的双向信息流传输。通讯媒介可采用因特网或无线技术 总体来说，双工控制器要被设计为稳定且透明的系统所谓透明系统是一种理想情况，即操作者自身感觉不到主从设备之间距离的存在，操作者的感觉就如同对远程环境中的设备进行本地直接操作。当从机器人设 电子科技大学硕士学位论文各上的位置和力的变化可与反馈给操作者的位置和力的变化相匹配时，上述透明系统在技术上是可实现的。然而，由于通讯中的时滞和系统中存在的噪声及系
11、统自身存在的不稳定因素，使实现稳定且透明的双工系统操作仍有困难。因此，设计在系统存在显著通讯延迟环境下的双工控制器更具实际意义。设计具有自适应性的双工控制器是一种可行的方法。基于网络的机器人技术被提出后，首先被应用到遥操作领域。如前面提到的、及等都是给用户提供通过因特网对远程设备实施遥操作控制。这些系统在初期只能提供机器人工作环境的静止画面，有些系统如也尝试使用技术来回馈被控机械臂状态动画。当支持通过网络传输流式图像数据的网络摄像头技术出现后，现场环境的图像反馈变得易于实现。 要使用户能远程控制机器人并完成一系列复杂动作，就需要使用更先进的技术来实现复杂且友好的用户界面。在这些工作中，的网 络
12、交互绘画机器人十分引人注目。它允许任意因特网用户通过网络控制机械臂在远程实验室画布上完成绘画操作。用户界面提供了用设计的虚拟画布，并且系统通过不断的图像更新给用户提供及时的视觉反馈，使得没有任何专业知识的网络用户也可轻松实施操作。根据控制系统性能和技术的先进性，遥操作机分为如下几个阶段： 手工闭环控制，这是最早且研究最多的一种遥操作形式，其中操作者是手动闭环控制的核心部分。这一早期的遥操作技术主要应用于在危险环境下进行操作的设备中，如核工业设备，水下遥控操作设备和空间设备。但通讯的明显滞后、不稳定性和手动闭环控制是其主要缺点。 共享或监管控制，这种控制机制的目的是使机器人或设备的控制可由本地控
13、制回路和远程遥控操作者来共事。本地控制回路负责其基本功能的实现，远程遥控操作者主要负责系统的监控及对异常情况的处理。这一技术提高了操作者对设备的可操作性，避免了系统不稳定性问题。但昂贵的、为单一目的建设的操作站是其致命的缺点。通讯的专用性也限制了普通网络用户的访问，使得这一技术只能应用于固定的专业领域中。 基于万维网的遥操作机器人，万维网遥控机器人这一概念还处于雏形阶段。它通过基于因特网的浏览器来控制远程机器人和设备。这就需要先进的网络监控机制来避免系统的不稳定并支持网络多用户访问。这一技术的提出开创了一个崭新的研究领域，使遥操作技术的应用走向网络化和全球化。（）基于网络的自主移动机器人控制技
14、术的研究使用万维网作为机器人远程控制的基础构架使得在仅使用标准接口的情况下给网络用户提供访问变得易于实施。因此可应用网络技术进一步扩展自主移动机器人的控制手段，使其控制不再受空间和地域的限制。国外在这一领域已经开展了深入研究，如大学研发的基于的办公室自主移动机器人和基于网络进行远程控制的博物馆导游机器人。这些机器人的特点是自身具有较高自主性，而网络技术又给异地操作者提供了进行远程控制的手段。基于网络的室内自主机器人控制采用事件驱动和任务控制的系统体系结构时，其自主性和基于网络的远程控制会得到更完美的结合。 最初基于网络的移动机器人的自主性能有限，而且同一时间内只能向单一用户提供网络服务。瑞士联
15、邦洛桑科技研究所的就是其中典型代表。用户可通过网络控制小型移动机器人在人造迷宫中进行运动并能同时经摄像头的图像反馈进行观察。大学研发的是第一个可通过电子科技大学硕士学位论文网络控制并运行于复杂办公环境的自主移动机器人。机器人可在线或离线接收请求命令并在运行时段内进行处理。完成任务后会通过电子邮件通知用户。的网络界面使用了和技术来获取图像。此外的用户界面还提供办公环境的地图并显示机器人在其上的位置。在更为复杂的动态环境（如博物馆）中，机器人在执行任务时会遇到大量不可预见事件。博物馆导游机器人除了要对网络用户进行在线响应，同时还要与博物馆中的游客进行现场人机交互，所以其任务规划要能够处理各种不可预
16、测的突发事件。博物馆导游机器人要及时向用户提供各种反馈。由于使用了基于的技术，其在低带宽情况下仍能按要求更新机器人状态。网络用户界面还提供机器人所带摄像头和安装于天花板上摄像头所传回的图像。使用多种方式的代理技术可支持多用户同时访问。实际应用中常要求网络用户同现场用户分享机器人的控制。网络能给异地用户提供远程现场再现，而现场用户则通过比网络更直接的方式控制机器人，这就要求混合控制的界面设计要避免两者相互干扰。提高被控机器人的自主性对实现实时远程控制具有重要意义。被控机器人本身具有的避障功能、对路径的自主规划和对多任务的决策能力，都有利于减少网络通讯中不可预测时滞对机器人控制实时性的影响。这一思
17、想的实质是将属于远程控制的部分功能下放到控制系统本地来实现，远程的操作者只需对预先定义好的操作指令实施控制操作，或直接通过对运行于客户端的辅助软件的图形界面及命令菜单的点击来实施远程操作控制。这一方法降低了系统的复杂度，将各种简单的基本操作集成为高层次的复合动作，从而提高了系统操作的集成度，加快了系统的控制响应速度，保证了控制的实时性。通过上述技术手段的应用，当网络通讯出现拥塞而导致传输速率下降时，机器人控制系统本身应能够相应降低控制精度，暂缓非紧急任务，从而降低网络通讯的负载。如果出现系统暂时的通讯中断，控制系统的自主性可避免机器人处于失控状态，使其仍能正常完成底层控制功能，并可根据前一时间
18、段中存储的远程控制信息进行智能预测，自主的继续完成操作者的控制要求。基于网络的自主机器人远程控制技术与传统遥操作技术相比，有如下几方面不同：网络时滞和通讯容量具有相当的不确定性，因此自主性对基于网络的机器人更显重要。这就要求基于网络控制的机器人要比传统机器人具有更强的自主性。如果要设计适合网络中大量用户可控的机器人，传统的专用控制模式是不适用的，取而代之的应采用网络多用户代理控制（）机制。实际应用中需要网络用户同现场 用户分享对机器人资源的控制。现场用户可通过比网络更方便直接的方式控制机器人。这就要求复合控制的软件设计要考虑如何协调现场人机交互和远程控制指令两者间的相互关系。网络还应能通过虚拟
19、远程现场技术给访问用户提供视觉反馈。网络用户通常缺乏远程操作控制所需的专业知识。因此要求界面设计要比传统遥操作机器人更图形化和易于操作。机器人采集的现场信息不仅要适于机器人自主控制的应用同时也要易于网络用户的操作。 （）基于中间件技术的分布式机器人系统基于因特网的远程遥控机器人技术的应用使得低价、灵活、可扩展的真正分布式系统得以在机器人领域实现。任何连接到因特网上的机器人、代理设备、现场设备相互间均可进行通讯和交互操作以共同完成远程任务。在美国航空航天管理局的寻路者计划中就采用了这一技术 这使得科学家们不必集中到加利福尼亚的控制中心也可在世界各地通过因特网交互系统来相互合作实施对寻路者计划中空
20、间设备的控制。这一应用是通过因特网实施分布式控制的成功实例。构建 电子科技大学硕士学位论文高性能的通讯协议体系是实现多个用户和代理间协作控制的前提。由于协议在整个系统中必须具有通用性，这也使得实施这一协议的系统应具有可重用的软件架构。在网络体系结构中，同位体是指任何与另一个实体处在同一层次上的功能单元或操作装置。分布式系统架构允许多个同位体通过中央路由器进行互联。同位体还可通过具有可选择性的通讯“频道”进行报文交换。路由器除了知道报文的目的地址和通讯 频道 外无需了解报文中具体内容。当分布式系统中包含机器人设备时通常被定义为分布式机器人系统。不同的分布式机器人系统使用不同的通讯协议和技术，如可
21、应用、或等中间件技术来实现其分布性。中间件是为特定用户的需要而剪裁的系统软件。（）基于网络的分布式机器人系统中常用的几神中间件技术。（）规范是由（国际对 象管理组织）发布并制定的标准。它使用（对象请求代理）作为中间件来建立两个对象间的客户务器关系。它是面向对象的远端程序调用（）的扩展。使用，客户可在本机或通过网络透明的调用服务器程序。截取请求并负责寻找可完成请求的对象，并负责传递参数、调用程序和返回结果。客户端不必知道对象所在位置、使用何种编程语言和操作系统以及任何与对象接口无关的系统信息。（）（远程程序调用）是特制的中间件，它给使用对象的分布计算提供了一种简单直接的模型。这一简单性是建立在将
22、所有通讯均限制在仅应用于对象上。使用了与的相似的概念来提供远程对象的查询和调用。的优越性在于它仅适用于纯应用，整个对象（而不仅仅是数据）能在客户和服务器间传送，从而保证了面向对象的多态性。（面向报文的中间件）（）与和不同，它不是工业标准，而是在分布式 应用环境中支持特定种类通用目标报文交换的中间件的集成术语。数据的交换是通过报文传输或报文队列，并支持分布式计算进程间的同步或异步交互。系统使用可靠队列来确保报文传送，并对所支持的报文提供目录检索、安全及管理等服务。队列特别适用于那些逐步递进的进程。模型中的报文是基于事件驱动的系统，而不仅仅是简单程序调用。客户可应用具有优先级机制的队列，这使得高优
23、先级的报文可超越不熏要的报文，这对分布式机器人的多任务控制十分重要。通过比较可发现不同的中间件技术的通讯机理和应用范围不尽相同。由于支持的是报文格式，因此它主要适用于有延迟的异步通讯：而和均基于（远程过程调用）语义，是设计用以支持同步通讯的。此外基于报文的通讯允许向多个同位体广播信息。虽然受到所有基于其上的应用必须是用编写的限制，但也和一样是通用标准，所以具有巨大的互联潜力。由于第三方利益和版本的不同，和目前并没有得到现有浏览器的广泛支持。与之比较可提供嵌入于应用程序中的轻型客户端应用编程接口，而且由于不存在同步通讯也不需要预装任何先决软件，所以它在简单环境中更具有应用潜力。但在复杂且需要进行
24、同步通讯的环境中，和则应给予优先考虑在基于网络的机器人控制中，非阻塞的异步行为是理想的。远程命令的执行需要数秒钟并且可能会有中间结果产生。这一情况很适合于基于的系统。语义 适于那些 监控控制，其控制信号和控制结果以报文形式在控制器和执行器中传输。其报文是按顺序执行并具有每一报文都基于上一个报文的特性，这正与构架相吻合。被采用作为分布式应用构架的基础特别适合于客户端为同位体相互协同工作的情况。同位体之间通过基于中间件技术的中央路由器电子科技大学硕士学位论文进行报文传输的系统架构。每个同位体仅需要一个连接，并且不需要知道其它同位体所在位置。与路由器连接的同位体间可进行信息交互。同位体间可通过互联的
25、通讯“频道”进行报文的交换。这一新型体系结构使得客户机服务器的体系架构概念逐步被同位体合作完成任务的体系结构概念所取代。因此，同位体概念可对等的应用到机器人物理操作控制及机器人图像在微机上显示与处理等方面。 （）基于网络机器人研究的关键技术（）基于网络的机器人控制技术的研发核心是实时远程控制的实现。为克服网络的不可预测时滞，达到对被控机器人实施实时控制的要求，可将通讯构建在实时通讯平台之上。国外已有基于这一先进技术的产品。其技术原理是在传统 协议的基础上，对开放式网络互联的七层通讯结构进行精简与优化。此外在新因特网协议中有预留的协议，其支持视觉图像数据流的实时高速传输，这都有利于虚拟远程现场技
26、术的实现。研发中还可从控制软件的构架上实现对控制任务的规划与管理。由于、技术均可实现对多个任务进程的管理，并支持具有不同优先级的任务进程实施抢占机制，这都适于远程操作者对机器人所遇到的突发事件实施优先处理。在研发中还可以考虑采用带有嵌入式模块的多任务实时操作系统来构建基于事件驱动和任务控制的系统体系结构。为实现实时控制，需要对通讯的数据进行预处理。通过网络传输的数据主要分为远程控制信息和现场反馈信息。其中现场反馈信息包含大量的视觉图像数据。图像采集卡完成图像的数字化后，软件首先要对图像数据进行预处理，如进行图像辨识与数据压缩。此外机器人系统本身要能根据当前的网络通讯质量做出判断，并相应的以不同
27、的图像精度和更新频率来响应控制端的请求。基于网络的机器人远程控制软件的开发中涉及通用网关接口（）和超文本传输协议（）等技术的应用。可对客户端的请求进行动态响应，而是一个无状态的面向对象式协议。但和的技术组合仍有局限性，使用技术可以解决这些问题。使客户端可控制网络连接且其用户接口功能完备。语言的另一个重要特性是其内置的多线程机制。在系统级和语言级均提供了对多线程的支持，使得具备了当代优秀操作系统并发处理事务的能力，这样在程序的运行中很容易实现各功能模块之间的切换、协作与数据交换。是与平台无关的，它不仅在源代码级上实现了可移植，在二进制代码上也实现了可移植。综上所述，基于网络的机器人控制技术开创了
28、机器人研究的一个崭新领域，并正逐渐成为国际上的研究热点。国内在网络机器人远程控制技术方面的研究还比较有限，从事这方面的研发工作也主要集中在网络环境下机器人遥操作技术方面，但下述研究方向也吸引了许多学者和科研人员的兴趣。对基于因特网的机器人遥操作双向控制器的深入研究，即在考虑通讯渠道时滞影响的情况下对双向自适应控制器的稳定性和透明操作性进行分析。研发着重于双向控制器对网络时滞具有较好鲁棒性，并对环境阻抗能进行在线辨识。系统的稳定性和可操作性主要由其收敛速率来决定。除应用解析技术外，神经网和基于知识的系统规则也可被应用。通过先进的控制方式来实施机器人的网络控制，如语音控制等技术手段的应用。研发目标
29、是实现网络技术和先进机器人控制技术的结合，研究重点在于先进技术的应用，并致力于其产品化。基于网络的机器人先进控制技术在服务业、教育业和娱乐业有着广泛的应用前景。通过先进网络技术的应用来进一步完善移动机器人的自主控制。自主移动机器人是智能机器人控制的前沿问题。国家计划智能机器人主题专家组根据当前国际智能技术发展的水平及我电子科技大学硕士学位论文国的状况就曾指出，移动机器人研究重点应放在半自主和遥控技术上，而不是完全自主。基于网络遥控技术的日益成熟就给移动机器人控制提供了全新的技术手段。将网络控制技术与传统移动机器人技术加以结合，不但丰富了控制手段，而且弥补了移动机器人自主性方面的不足，是在目前实
30、现全自主智能机器人还不成熟情况下的可行方案。从年代开始，机器人的研究出现了一些新的局面，这就是机器人与其他学科和领域的交叉，特别是与计算机、通讯和网络的交叉。出现了智能机器人的思想和概念向其他学科转移和深透的现象，如在计算机网络中出现了软机器人（）、移动代理（）、智能代理（）等”新概念、新思想。这种交叉的发生将改变机器人研究的局面。基于网络的机器人控制技术正是计算机、网络通讯及分布式网络等先进技术与机器人控制技术相交汇的成果，这一技术的深入发展将给机器人研究注入崭新的活力。 本课题研究的目的和意义基于网络的机器人控制技术开创了机器人研究的一个崭新领域，并正逐渐成为国际上的研究热点。国内在网络机
31、器人远程控制技术方面的研究还比较有限，从事这方面的研发工作也主要集中在网络环境下机器人遥操作技术方面，但下述研究方向也吸引了许多学者和科研人员的兴趣。对基于因特网的机器人遥操作双向控制器的深入研究，即在考虑通讯渠道时滞影响的情况下对双向自适应控制器的稳定性和透明操作性进行分析。研发着重于双向控制器对网络时滞具有较好鲁棒性，并对环境阻抗能进行在线辨识。系统的稳定性和可操作性主要由其收敛速率来决定。除应用解析技术外，神经网和基于知识的系统规则也可被应用。通过先进的控制方式来实施机器人的网络控制，如语音控制等技术手段的应用。研发目标是实现网络技术和先进机器人控制技术的结合，研究重点在于先进技术的应用
32、，并致力于其产品化。基于网络的机器人先进控制技术在服务业、教育业和娱乐业有着广泛的应用前景。通过先进网络技术的应用来进一步完善移动机器人的自主控制。自主移动机器人是智能机器人控制的前沿问题。国家计划智能机器人主题专家组根据当前国际智能技术发展的水平及我国的状况就曾指出，移动机器人研究重点应放在半自主和遥控技术上，而不是完全自主剐。基于网络遥控技术的日益成熟就给移动机器人控制提供了全新的技术手段。将网络控制技术与传统移动机器人技术加以结合，不但丰富了控制手段，而且弥补了移动机器人自主性方面的不足，是在目前实现全自主智能机器人还不成熟情况下的可行方案。从年代开始，机器人的研究出现 这就是机器人与其
33、他学科和领 别是与计 讯和网络的交叉。出现了智能机器人的思想和概念向其他学科转移和深透的现象，如在计算机网络中出现了软 动代理（）、智能代理（）等新概念、新思想。这种交叉的发生将改变机器人研究的局面”。基于网络的机器人控制技术正是计 络通讯及分布式网络等先进技术与机器人控制技术相交汇的成果，这一技术的深入发展将给机器人研究注入崭新的活力。 虚拟现实技术（）是近年来发展最快的信息技术之一，它与多媒体技术、网络技术并称为三大前景最好的计算机技术。与其他高新技术一样，客观需求是虚拟现实技术发展的动力。近年来，在仿真建模、计算机辅助设计、可视化计算、遥控机器人等领域，提出了一个共同的需求，即建立一个比
34、现有计算机系统更为直观的输入输出系统，成为能与各种传感器相联、更为友好的人机界电子科技大学硕士学位论文面、人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维化信息环境“。技术是人工智能、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术、并行计算技术等多种技术的集成。它是一种有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高级人机交互技术。 世纪年代初，作为虚拟现实前身的飞行仿真器在美国出现。年，美国的林肯实验室在海军科研办公室的资助下，研制出了第一个头盔式显示器（），随后又将模拟力和触觉的反馈装置加入到系统中。年，研制出了第一个功能较齐全的系统 。自年代后期起，美国公司陆续研制出较实用的头盔式三维显示
35、器、能提供六个自由度的数据手套、立体声耳机及相应的计算机软硬件系统 图形图像处理技术和传感器技术是以上项目的主要技术。就目前来看，空间的动态性和时间的实时性是这项技术的最主要焦点。 在欧洲英国是领先的。 应用的关键是寻找合适的场合和对象，即如何发挥想象力和创造性。选择适当的应用对象可大幅度地提高效率，减轻劳动强度，提高产品质量。为了达到这一目的，必须研究的开发工具。例如，系统开发平台、分布式技术等，这些都直接与计算机技术、多媒体技术的快速发展密切相关。在、，开发的某些方面，特别是在分布并行处理、辅助设备（包括触觉反馈）设计和应用研究方面。 其他一些发达的欧洲国家如法国、德国、瑞典、西班牙等也积
36、极进行了的开发与应用。如嚣班牙在上做的多用户项目虚拟奥运会，以奥运体育竞技作为其研究重点，目的是开发用于如下两方面的环境：一是双人滑雪模拟器，二是以数字化虚拟方式制作年巴塞罗那奥运会足球赛的四人电影剧本。虚拟现实 中的人机交互效应主要由传感技术来完成。如将数据手套、手势等显示及时地输入到计算机中进行处理，达到在虚拟环境中人与虚拟物体的交互效果。德国的计算机图形研究所（）的测试平台，用于评估对未来系统和界面的影响，以及向用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和技术的途径。瑞典的分布式虚拟交互环境，是一个基于的异质分布式系统，易推广到新的硬件和图形库：又是全分布式的，不同节点上的多个进程可以在
37、同一世界中工作。 荷兰海牙研究所的物理电子实验室（ ）开发的训练和模拟系统，通过改进人机界面来改善现有模拟系统，以使用户完全介入模拟环境。这些系统使用的基本技术是并行处理系统结构，应用的基本构件是通用处理器，从而形成了灵活可伸缩系统，无论从硬件还是软件上讲都易于适应特定应用。由于使用了这些强有力的系统结 现在的视景生成系统以相纹（ ）实时可视化为特色嘲。 技术在我国的研究开发我国对技术的研究起步于世纪年代初，发展到现在已初步取得了成果。国内的一些科研单位如清华大学的临场感应技术重点实验室、北京航空航天大学的三系、中国民航学院、浙大计算机仿真重点实验室、空军第二航空学院、空军工程学院和解放军信息
38、工程大学等，对虚拟现实的研究取得了重要成果，在某些方面的研究已经接近国际先进水平“。本课题是建立起基于网络操作的机器人系统，并有所侧重的在机器人离线编程、网络的信息传输、虚拟现实方面进行研究。我们的研究主要是基于监控方式进行的。把虚拟现实技术引入到基于网络操作的机器人系统中来，让网络操作用户能实时的看见机器人的执行结果，我们应用虚拟现实技术构造临场感的人电子科技大学硕士学位论文机交互界面。虚拟现实的作用主要体现在以下两个方面：）实现预测显示（）根据物体和机器人的几何模型和物理模型（运动学模型和动力学模型），构造虚拟环境和虚拟机器人。虚拟机器人能够即时响应操作员的动作，进行连续运动：通过仿真运行
39、，虚拟机器人能够按照规划的程序预测显示机器人的运动轨迹，使操作员可以对指令序列进行验证和优化，这将提高操作的安全性和可靠性。）实现临场感监视（）对于机器人以及结构化的操作环境，物体的几何信息是己知的，根据机器人和物体的位姿信息，我们通过图形重构的办法，合成虚拟的操作环境，将操作环境的真实状态显示出来。在虚拟环境中不仅实现了立体显示，而且操作员可以改变视点进行漫游，从而通过位姿信息而非视频图像实现了操作环境的临场感显示。这将大大降低对通信带宽的要求，从而有望在有限带宽条件下实现对操作环境的连续观察。课题研究的主要内容本课题以典型的工业机器人为例，建立起网络操作的总体结构，对其建立数学模型，运动学
40、动力学分析，离线编程，虚拟现实。第一章为绪论，介绍课题背景、研究现状、研究的目的和意义、以及本课题做的主要工作。 第二章介绍本课题要用到的一些关键技术。如：机器人的运动学，的相关技术，主要涉及网络连接部分。虚拟现实与本课题的结合。编程实现人与虚拟场景的交互。第三章建立整个网络操作的机器人系统，对整个结构框架进行了介绍。为以后的分析提供基础。 第四章网络操作的机器人进行离线编程，建立其离线编程系统，人机界面，运动学仿真，轨迹规划。 第五章利用技术虚拟机器人的工作场景，用网页实现浏览，实现 人机交互。第六章对机器人控制中柔顺控制进行了分析，提出柔顺控制方案，并进行了仿真计算。 第七章对网络操作的机器人系统信息传递的延迟进行了分析，找出网络延时的原因，并有针对性地解决这些网络延迟。电子科技大学硕士学位论文 第二章基础知识运动学基础。齐次坐标变换（）齐 次变换如果一直角坐标系中的一点的坐标已知，那么该点在另外一直角坐标系中的坐标可由齐次变换求得，这种齐次变换在我们对机器人的运动学分析中起着及其基础而重要的作用，所有有必要对它进行介绍。 式（）对于点
