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《哈尔滨工业大学》 2007年
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基于Internet多机器人遥操作系统安全机制的研究

高永生  
【摘要】: 随着人类对于空间、深海、核辐射等危险与极限环境内作业需求的不断提升,遥操作技术发挥着越来越重要的作用,成为机器人领域重要的研究方向之一。多操作者多机器人(MOMR)遥操作具有分布式、作业能力强等优势,且使用Internet作为遥操作系统实时数据传输的载体,为遥操作系统增加了公众性、分布性、设备共享等新特点。因此如何克服系统结构和网络特性中的不利影响因素,安全可靠地实现基于Internet网络的多操作者多机器人遥操作是目前重要的研究方向,并且通过研究Internet遥操作技术可以为机器人技术在空间、深海等其他领域的应用提供必要的理论基础及技术支持。 为了全面把握系统安全性,本文首先对MOMR网络遥操作系统安全影响因素进行了深入分析,作为实现安全机制的基础。基于故障树分析(FTA)理论分析了系统安全影响因素,利用最小割集刻划了系统危险状态的基本事件组合,直观地描述出系统中临界故障情况和安全影响因素之间的作用关系。对系统安全因素的分析表明,系统安全性表现为一种行为模式集合,该集合中操作者智能参与性、虚拟环境、网络交互、和系统安全规划等方面是实现系统安全机制的关键。 系统安全机制是对系统安全功能要素的结构模型及其相互作用关系的刻画,能够保证系统的安全性。本文在对影响安全机制的多种因素进行分析的基础上,建立了基于主端监控层、网络交互监控层和从端监控层动态交互的分层安全机制,在主端实现基于虚拟向导模型、协商和虚拟碰撞检测的安全控制;在网络交互监控层实现分布式网络交互平台,并通过网络协调方法提高网络安全控制性能;在从端基于实时避碰和机器人紧急状态处理方法驱动机器人避免危险;同时,通过各层的安全控制信息和指令交互,实现系统安全信息的模块化、分布式交互与控制。 鉴于Internet网络中存在传输异常的情况,会影响系统中网络对象间的动态交互,进而对系统的整体安全产生不利影响,本文基于Java RMI的远程对象调用技术与CORBA对象网络技术建立分布式网络交互平台,提高网络传输与控制的交互性能,改善网络传输带来的不利影响,提高系统安全水平。文中基于CORBA规范,提出实时线程池、分布式数据分配等方法,增强了CORBA平台的实时性。设计了基于RMI-IIOP协议的网络通信模式,并采用面向对象的Java3D建模技术建立了基于Java-CORBA的分布式对象虚拟环境,并基于该平台设计了网络协调方法,有效增强了网络对象间的远程交互性能。 由于机器人智能化水平有限,因此本文通过虚拟环境中虚拟向导的分析和设计,保证了人的智能参与能力,为操作者直观、安全地进行机器人运动规划提供了良好地辅助工具和保护措施。文中引入虚拟向导概念,首先给出虚拟向导模型的定义及其统一描述形式。其次建立面向安全机制的检测虚拟向导模型,实现时延向导和碰撞预测向导。最后提出并实现三种控制模式下的虚拟向导,辅助操作者在主端更好地完成智能安全规划。 多机器人在共享空间中的协调作业,可以提高机器人在复杂环境中的作业能力,同时对实时规划安全性提出了很高的要求。本文依据建立的多机器人安全规划策略,在从端设计了基于机器人速度和位置的改进势场法,实现机器人实时安全规划。根据机器人位姿反馈信息,在多机器人共享空间中进行碰撞检测后,根据设定的系统安全临界区域,利用改进势场法进行机器人安全运动规划,作为主端规划失效情况下的底层保护措施。 为了验证MOMR网络遥操作系统安全机制性能,本文设计了以下三个实验。首先通过共享工作空间中多机器人松协调运动实验,验证了基于改进势场法的安全规划算法。其次通过多机器人移动积木实验,验证了基于虚拟向导的虚拟环境中采用多模式规划远端机器人运动的安全有效性。最后,面向高危病毒医学环境设计了一个标准的医学采样-观测实验,综合验证了安全机制在MOMR网络遥操作系统中的有效性。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP242.2

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【引证文献】
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