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网络远程机器人控制系统及关键技术研究

马力波  
【摘要】: 网络远程机器人控制系统是利用现代网络技术、通信技术、多媒体技术以及智能机器人技术构建的人-机合作控制系统。该系统的特点是:不需要专人专机进行远程控制;组建系统快捷;花费成本低;远程控制距离大;能在任意网络节点进行访问;适应远程管理的技术方向;有利于机器人技术的推广与普及.尤其在危险复杂的作业环境中,该系统具有独特的效用,如:该系统特别适用于有毒、污染、易燃、易爆等危险、恶劣环境中代替人类或辅助人类完成复杂的作业任务,极大地改善人们的劳动条件、降低人身伤亡事故,是一种全新的机器人应用模式。 本文针对网络远程机器人控制系统的特点,主要研究了网络远程机器人控制系统的体系结构、人-机接口界面、网络远程机器人信息控制机制、人-机系统的智能任务分工与协作、复杂环境下智能机器人操作手臂的轨迹控制、基于多智能体的机器人自主性变换控制机制、以及化工厂剧毒贮存罐的网络远程机器人控制系统实现。具体取得以下几个方面的研究成果: (1)基于CORBA技术的网络远程机器人集成系统框架 通过对客户机/服务器系统结构、任务分层控制系统结构、两层服务器控制系统结构、以及大时延环境下的远程控制系统结构特点的分析和研究,归纳,总结,并提出简单适用的基于CORBA技术的网络远程机器人集成系统框架。 (2)基于信息论的人-机接口界面性能评估框架 在论述人-机接口界面的一般概念基础上,通过讨论有关多模式接口界面的优点、潜在的使用前景、存在的问题、建模的一般方法(结构模型和行为模型)、以及接口集成等内容,分析了集中式多智能(multi-agents)系统模型,进一步提出了基于信息论的人-机接口界面性能评估框架,即信息一致性度量算法。 (3)网络远程机器人控制系统的通信控制机制 通过Internet的信息通信时延分析,建立了系统的状态空间模型,为构建预测仿真系统,实现无时延或准实时的控制,消除系统的不稳定因素等问题,提供了理论基础。根据网络的特性,讨论了网络信息控制的三种方式:时间前向观察器通信模式、实时通信模式、和无预测实时通信模式。 (4)人-机智能任务分工算法和人-机交互智能值计算 通过定义人-机系统的机器智能、人的智能和人-机交互智能的概念,并对机器智能、人-机合作系统建模、和智能任务图的分析和研究,提出了人-机智能任务分工算法和人-机交互智能值计算。利用ITG逻辑图,推导出人的智能(H)、人-机交互智能(Hinter)、机器智能(M)以及其它变量。从远程机器人系统的监控实例 WP=6 中,验证了提出的检测过程。 (5)复杂环境下智能机器人操作手臂的轨迹控制 对于复杂环境下智能机器人操作手臂的轨迹控制主要研究了两个问题:其一是解决远程机器人手臂对复杂轨迹的学习和跟踪;其二是解决由于远程机器人手臂的结构化和非结构化的不确定性造成机器人的轨迹控制的不精确性。 针对机器人轨迹规划中存在的问题,以及目前用于机器人轨迹规划的自组织神经网络存在的缺陷和困难,并结合自组织竞争网络的特点,提出一个自组织神经元网络时序处理算法(TSPSONN)的理论模型,用来解决具有重复/共享状态易于产生轨迹重构时的模糊性或不确定性问题,从而为网络远程机器人控制系统进行复杂的轨迹控制提供了理论依据和应用基础。 根据机器人轨迹控制精度的要求,以及分析神经网络和模糊逻辑各自的优缺点后,提出了神经网络模糊逻辑控制机器人的算法,以克服单一方法控制轨迹时存在的缺陷。 (6)人-机智能系统自主性变换控制算法 根据决策控制变换策略思想,提出一个人-机智能系统自主性变换的新方法,以解决网络远程机器人控制中的人-机交互问题。控制变换策略由两类条件序列行动构成:一个智能体转移控制决策权给另一智能体的控制行动和改变多智能体之间预定义的协调约束控制机制。为此,在定义控制变换策略概念的基础上,通过分析智能体执行控制变换的过程,建立了控制变换策略的数学模型.通过远程机器人的4种自主性控制变换策略的人-机交互的仿真,验证了控制变换模型的有效性。 (7)网络远程机器人控制系统在化工厂剧毒原料贮存罐中的应用实现 针对网络远程机器人控制系统在化工厂原料贮存罐中的应用,提出了系统实现的主要功能,其中包括:剧毒原料贮罐外部的安全巡检,内壁清洗,剧毒垃圾的收集与搬运;同时,表达了系统实现的主要技术指标,提出了技术实施方案,分析了技术风险,阐述了技术创新点等内容。 当然,网络远程机器人控制系统的许多相关技术,在这里不可能都一一涉及,许多方面的工作有待以后进一步研究。


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