基于Web技术的远程控制机器人

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综 述

基于Ｗｅｂ技术的远程控制机器人　

北京邮电大学自动化学院 许彦峰 胡皓瑜 孙汉旭

文摘 简要介绍了基于Ｗｅｂ远程控制机器人的发展历程、研究现状，阐述了基于Ｗｅｂ技术的机器人设计过程中的主要技术问题及发展趋势。结合Ｐｏｗｅｒ　Ｃｕｂｅ机器人，在机器人控制方面进行了一些具体的研究。　

主题词 Web 技术 Internet 远程控制 机器人

１　　引言　

基于W eb 的机器人具体地说，就是将机器人连于Internet 上，人们通过Internet 对他进行控制和监视。随着W eb 技术的发展，基于Internet 的机器人终于浮出水面，它有以下的优点：

a. Internet 网络设施提供了价格低廉的通信线路, 大大降低了遥操作系统的成本，使W eb 远程控制机器人的普及成为可能；

b. 以HTTP 作为远程机器人控制系统的标准通信协议，使基于W eb 开发的远程机器人控制系统软件具有良好的可移植性和互用性；

c. 基于W eb 的远程控制机器人为我们提供方便的远程工作的机会，比如通过Internet 机器人远程做家务，生产加工甚至远程手术等；

d. Internet 增加了人们与机器人远程交流的机会，人们可以通过控制Internet 上的机器人来熟悉机器人，进行有关活动，并进一步促进机器人的发展。

２　　国内外研究现状　　

在基于W eb 的远程控制机器人研究领域，美国、澳大利亚、瑞士、日本、德国的高校和研究组织最为活跃，为Internet 添加了许多创造性的机

器人控制站点。Mercury Project 是第一个基于W eb

的远程机器人控制系统。在这里，用户通过远程控制一台IBM SCARA 型机器人，观察和挖掘埋藏于沙土中的藏品[1]。1994年9月，西澳大利亚大学的Kenneth Taylor 等人将一6自由度的ASEA IRb －6型机器手连接到Internet ，这就是搬运和搭建积木的Telerobot [2]。见图1。

图１　　Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ实际工作图片　

之后，更多的W eb 机器人站点出现在Internet 上。如：Wollongong 大学的机器人Robotoy ，[3]它通过选择肩、肘、腕、腰的旋转角度来控制机器人的运动；斯坦福大学的机器狗MAX [4]可以在

收稿日期：2003-09-02

32 实验室行走，并通过安于头上的摄像机将看到的景物拍下来，通过Internet 传送给控制者。由美国Carnegie Mellon 大学开发研制的Xavier, 通过W eb 控制进行移动，并通过附着在机器人上的一个摄像机和一些声纳传感器，可以在楼内各层的各个房间进行一些简单的传送文件、敲门、说话等一些简单的动作[5]。瑞土联邦科技研究所的“KhepOnTheWeb ”是第一个基于W eb 的远程自主式移动机器人系统，用户不但可以通过网络控制机器人在迷宫中进行运动，还可以通过摄像机得到需求的图像反馈。

３　　基本结构　 下面以澳大利亚的Telerobot [6]为例来说明基于W eb 的远程控制机器人系统的基本结构。Telerobot 采用客户／服务器(Client ／Server)结构，其基本系统架构如图2所示。Internet 上任意地点的用户通过浏览器发出请求，Web Server 接受其请求。Web Server 接收到用户请求，激活一个或多个CGI 应用程序，与机器人服务器、数据服务器和图像服务器通信。机器人服务器控制机器人到达指定位置，将得到的机器人当前位姿、命令执行情况等返回Web Server ，摄像机截取图像，根据用户的需求调整摄像机的旋转角、放大率或返回不同尺寸的图像。

图2 Ｔｅｌｅｒｏｂｏｔ的基本构架

４　　主要技术问题及发展趋势　

4.1 网络时延问题

在机器人控制过程中，由于网络时延会给控制带来意想不到的后果，机器人需要完成的往往是一系列动作，系列动作中间控制间断或时延过大，不仅无法达到精确控制，甚至还可能产生破坏性的后果。在以前的遥控操作中，对不确定时延的处理多数是通过分析已有的数据找到时延的变化率，或直接把时延的变化加到处理的程序中，也有通过使用n 步预测器来预测时延的变化，但这些策略大都是针对平均通讯时延的。为尽量减少不可预测的时延给机器人控制带来的影响，笔者认为可以从几个方面下手：a.将通讯构建在实时TCP/IP 通讯平台上；b.精简机器人通讯协议；c.增加机器人的自治性，使指令由基于动作的方

式简化为基于行为的方式；d.增加机器人方的预测能力以及紧急情况处理能力，使机器人在指令中断的情况下根据经验做出预测并在紧急情况下自行进行故障处理。

4.2 WEB SERVER 多用户处理及安全问题 当前基于W eb 的远程机器人控制站点的HTTP 服务器多采用CGI 编程设计。CGI 程序天生具有一些缺点：a.CGI 程序安全性较差，它所返回的信息全部放在URL 中，很容易被截获，而且CGI 程序很容易受到恶意代码的攻击；b.一个CGI 程序只能处理一个客户请求，每个新的客户请求都要激活一个新的CGI 进程，当用户请求增多时会挤占大量的系统资源，执行效率低下；c.在机器人应用中，往往需要服务器扮演主动的角色，当控制与客户端通信、客户之间通信、主动向客户发送更新的数据和图像时，CGI 为力。

4.3 实时视觉反馈问题

视觉反馈是有效远程控制的重要前提。每个W eb机器人站点都提供了图像反馈，并且大多数站点安装了多只摄像头，用户通过操纵可以得到多个角度的视觉反馈。

4.4 虚拟现实技术在远程再现中的应用

虚拟现实(Virtual Reality)技术又称灵境技术，通过相应的硬件手段的帮助，如数据手套、立体眼镜和头盔等设备产生“身临其境”的感觉，人们能够操纵虚拟环境中的物体的运动，并且使用者本身也能够在其中漫步、环顾。NASA的火星计划实现了远程登陆点的三维重建，并证明远程地点的三维再现提供的友好界面是二维图像不可比拟的，它增加了用户对远程控制的真实感受。

５　　基于Ｗｅｂ控制的ＰｏｗｅｒＣｕｂｅ机器人的实现　

PowerCube是由德国Amtec公司生产的9自由度模块化机器人，它可以自由组合，随意拆卸。PowerCube的控制系统由北邮自动化学院机器人实验室开发完成，利用PowerCube, 我们进行了通过W eb进行机器人控制的研究，主要有以下几个方面。

5.1 全新的体系结构和信息传输方式

为了能将机器人通过Internet进行控制，将控制形式定为“客户机—服务器”结构，即C-S结构。将控制分为两个层次：a.客户机层，面对操作者，主要负责发出控制命令；b.服务器层，主要面对机器人，向机器人发出具体的控制指令，同时将反馈发送回客户机。为了安全性的需要，我们使用Socket进行TCP/IP底层编程，将机器人控制指令进行打包，然后传送，在接收端将包层层剥离，取出控制信息，信息可以进行加密等操作。这种方式的优点是信息量少，处理速度快，安全性好，这种方式的缺点是需要安装客户端，但对于军事应用及对安全性要求较高的应用非常实用。

5.2 具有扩展功能的通讯协议

在计算机网络环境中，计算机彼此之间进行通讯，就必须有相同的通讯协议，通讯协议就像人类的语言，人和人要想交流，就必须使用双方都懂的语言。在Internet上，普遍使用TCP/IP协议作为不同机器进行通讯的协议。做为底层协议，它屏蔽了Internet的复杂性。在机器人控制过程中，客户机和服务器之间也必须制定相应的协议，以使双方能够交流。为制定这个协议，就要首先知道双方需要交流哪些信息。从客户端来看，它需要数据通讯的任务主要有两个：一是发送命令给服务器，二是接收服务器端发送过来的与机器人运动状态有关的数据包。而第一项是客户端要发送的，在客户端进行讨论。客户端要发送的命令有如下几个：Scan, PCube_syncModule, PCube_haltModule，PCube_resetModule, P C u b e_m o v e S t e p，P C u b e_c l o s e D e v i c e, P C u b e_m o v e C u r r e n t，P C u b e_m o v e V e l, PCube_moveRamp。根据这些命令及相关参数，客户端发送的命令包应包括以下部分：

a. 指示字段：指明数据包的类型，即命令包还是状态包，如果是命令包，是要求机器人模块执行哪一条指令；

b. 模块ID：表明本条指令适合哪一个模块；

c. 包体长度：指示数据包包体的长度；

d. 参数一：与命令相关的第一个参数；

e. 参数二：与命令相关的第二个参数；

f. 参数三：与命令相关的第三个参数。

从服务器端来看，服务器端状态包主要分两

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34 种：一种是静态包；另一种是动态包。无论是静态包还是动态包，都应包括以下几个共同部分：指示字段、模块ID 、包体长度。

PowerCube 机器人具有九个自由度，具有很高的冗余性，在它基础上开发的机器人控制协议可以不加修改地应用到当今大多数机器人，同时为了能进一步扩展，我们还预留了接口。 5.3 具有预测仿真功能的客户端

为了消除较大时延的影响，我们开发了预测反馈校正系统。它首先对将要进行的操作进行预测仿真，达到满意效果后再向机器人发出实际指令，安置于现场的摄像头将现场的情况反馈回来，同时与仿真结果进行比较，以检验仿真的正确性，并达到监控的目的。在C S 结构的客户端，主要有两部分组成：控制区和反馈区，如图3所示。

在控制区，用户可以输入服务器的IP 地址和监听的端口号。在反馈区，通过客户控制命令进行仿真，提供给客户直接的感受，用户通过仿真可预测控制的结果，如果满意，再向机器人发出控制命令。客户端通过服务器反馈回来的位置信息用OpenGL 对机器人的位置情况进行再次仿真。控制区中在用户输入完地址及端口号之后，按下Connetct 键与服务器建立连接，同时启动客户端的接收线程。

６　　结论　

随着W eb 技术的发展，给机器人的远程控制带来了新的活力，国外已经有许多科研机构开始了基于W eb 远程控制的机器人研究，我国在这方面才刚刚起步，与世界先进水平相比还有相当大的差距。北京邮电大学利用PowerCube 机器人，通过W eb 进行机器人控制的大胆尝试，取得了一些初步成果，主要有以下几个方面：a.设计了全新的控制结构，为了安全性的需要，使用Socket 进行TCP/IP 底层编程，这种方式虽然需要安装客户端，但对于军事应用及对安全性要求较高的应用非常实用；b.针对PowerCube 机器人的控制，设计了一套通讯协议，同时为了能进一步扩展，我们还预留了接口；c.为了消除较大时延的影响，开发了预测反馈校正系统。尽管我们的系统还不够成熟，但通过我们大胆的尝试，必将给国内学者带来宝贵的经验。

参考文献

1 http://robotoy.elec.uow.edu.au/

2 http://max.scs.ryerson.ca/

3 Reid Simmons ，et al. Lessons Learned from Xavier IEEE Robotics & Automation magazine ，2000，6：33～39

4 Matthew R Stein ．Interactive Internet Artistry ．IEEE Robotics & Automation magazine ，2000，6：28～32

5 S Goldberg ，et al ． DISMUSE ：An Interactive Telerobotic System for Remote viewing of Three-dimensional Art Objects ． Proc IEEE Int ． Conf ． On Intelligent Robots and Systems (IROS)，Workshop on Web Robots ，Victoria, Canada ，1998

6 杨磊，何克忠，等. 虚拟现实技术在机器人技术中的应用与展望. 机器人，1998，20(1)

7 赵明国，赵杰，崔泽，蔡鹤皋. Internet 模型与网络遥操作系统仿真环境的建立. 高技术通讯，2002．07