详细介绍下远程机器人到网络机器人情况?

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北京奇步自动化控制..
擅长领域:日化/化工,其它

1.前言                                                       

   自万维网(WWW)问世以来,整个世界进入了网络时代。而机器人领域一直在研究远程机器人,若将它与网络联结,是否可开拓网络机器人领域。本文就远程机器人向网络机器人发展所需要素、以及应怎样拓展应用等问题给予展望。

   2.远程与网络的区别                                           

   首先要研究远程机器人与网络机器人究竟有哪些不同?当然这也是网络机器人的定义。在此我们只根据远程机器人与万维网系统进行对比,研究其两者的区别。

   2.1标准化

  以往的远程操作系统多数是借助于通信路径,由特定的操作员来操作特定的机器人或加工机械等的1对1型系统。通信路径有用通信卫星的,也有用ISDN的。

  而万维网则是用一个服务器使不特定的多数用户在网络上任意使用。可以说,这种系统无论什么时候、无论在哪儿、无论谁都可以使用。连接买主方的人-机接口(Web浏览器:万维网浏览器)和服务器方的httpd的通信协议是HTTP,它在世界上已完全标准化。而远程操作系统多数是按照上述的要素独自开发其规格,所以只能限定特定系统间1对1的使用。

  使用所谓的“网络”一词,就意味着各分支上的操作方和被操作系统有多个,连接它们的经路也有多个,否则就失调。要满足上述条件,只有用万维网系统来实现,这样就必须使人-机接口、多买主服务器、通信协议等标准化。

  如后所述,在万维网系统上构筑远程操作机器人系统的尝试也迸行了多次Web浏览器具备动态图象、三维图形的显示功能、声象显示功能,若基本上能满足机器人系统的人- 机接口各项条件,限定通信区域,利用不能预测迟滞时间的接口作为前提,可以说是一种良好的选择。实际上,这种机器人已被非常多的用户使用着。至少一个机器人分支应与多个操作员分支连接。这样也算进了一步。

   2.2地球范围内分散化

  万维网的另一个特点是用高级链路连接数据库,在地球范围内可实现分散化。采用这种结构,各地方的数据虽然少,但全球范围内可实现庞大规模的数据库。

   机器人系统是物理性实体,所以用这种高级链路连接的意义不大。大规模分散系统的例子即SF。若在多数街道监视器上增加面部识别软件,即成为真实世界中寻人系统。然而若真实现了还有些超前。

  因此,将机器人系统中必要的、多数软件分散配置、加以利用的想法更有现实性。这靠一个部门来开发机器人所需的各种软件是困难的,所以实现网络化更有意义。实际上这种分散软件系统构思早已有人提出过。这些提案也很有创意,如OMG(Object Management Group)是制定规格的CORBA(Common Object Request Broker Architeure)。

   它是分散目标系统的世界标准规格。应用层的协议使用IIOP(Internet Inter Orb Protocol)。IIOP与HTTP相同,预测不久的将来将会成为在Internet上广泛使用的应用协议,到那时,地球范围内的分散软件系统的开发就变得容易。笔者现正采用CORBA进行系统开发。另外,日本工业技术院(国家)正在进行的拟人机器人项目中,也采用CORBA进行假想平台系统的开发。

   2.3网络机器人

   网络机器人可定义为:把标准通信协议和标准人- 机接口作为基本设施,再将它们与实际观测操作技术的机器人融合在一起,即可实现无论什么时候、无论在哪儿、无论谁都能使用的远程环境观测操作系统,这也就是网络机器人。这种定义可能还不完整,利用网络,应在任何地方都能操作。随着今后技术的发展,语言的定义还会有更好的。

   3.网络上的机器人群                                               

  现在,几个机器人连到Internet上,通过网来实现动作。或许当时在USC的 Ken Goldberg们开发的“探宝机器人”可以说是世界上zui早运用的例子。该系统采用HTML来使Puma动作,用探头(摄像机)来寻找埋在沙土中的宝物。将Web浏览器作为人- 机接口使用,将HTTP作为通信协议使用,许多人可以操纵该机器人。据说其人数可达100万以上。这是zui多人使用远程操作系统的例子。这就是上述标准化的威力。

  实际上,笔者在ICRA’95上又提起Ken Goldberg的话题,当时有人批评了这项研究。那时也有人冷嘲热讽地说:“万维网*行,人们又开始赶时髦,赶紧研究万维网。”然而后来随着标准化的威力、Web浏览器的多功能化,那些人又改变了看法。后来许多软件都在Web浏览器上使用,这是很普通的事了。用于机器人的软件也不例外。

   有同类想法的人成立了爱好者研究会,名叫“Robots on the Web”,并于去年IROS’98召开之际成立。下面介绍其中的几个例子。

   3.1移动机器人

  移动机器人很多都连接在Internet上。其中有一个很有名的叫CMU Xavier。笔者在撰写此稿时,试着在Xavier的网页上寻找地址,笔者是141,933个使用者,Xavier的监视页面如图1所示。

  将Xavier与Internet连接的理由是移动机器人的自律导向功能的可靠性验证。实际上,他们并不是机器人专家,而是根据用户的使用方法,才能发现许多软件的错误。

  它正好类似公用主软件的开发过程。开发的软件一般是公开的,多数进行了纠错,所以,软件的可靠性提高了。也类似上述的过程。这就是使用万维网的效果。

   除此之外,也有在史密索尼昂美术馆中展览了移动机器人的例子,它超越了Web给人们以美的享受。在日本的筑波大学迸行着同样的项目,但因各国的法规不同,日本无法在美术馆中进行该项实验。然而这个例子引起了人们的极大兴趣,实际访问史密索尼昂的人与经由网络访问的人一样,能给机器人发出移动指令。经由网络访问的人是经人- 机接口使用Web浏览器,与到现场的人一样,同样是Internet的一名顾客。这也是使用万维网系统的另一个效果。

   3.2操作机
 
   一个是上面提到的USC项目,在操作机上装上双眼(摄像机),可随着视点的改变而欣赏雕像的一种系统。买主方可使用HMD,它并不意昧着可以使用任意的Internet。一天可存取3,600次,合计25万人次。

   另一个是使用操作机的例子,如Puma-Paint项目。这是在两维电子布上描绘图画的系统。这种绘画实际上是用Puma机器人,在现实世界的帆布上画画的系统。使用四种颜色,由机器人自动换色,帆布上的纸由管理方的Stein自己更换。绘好的图样有好几张。多数是用数笔划沟画的,百看不厌,其中还有不少力作。

   3.3脱机示教

   现在的Internet象向导的那样,不能预测延迟时间,也不能保证频带。

   因此,经由Internet,直接进行细微动作的远程操作是非常困难的。因此,事先在模拟器上进行脱机示教,然后将示教动作数据远距离传送、执行,这是一种很好的方法。笔者正在Web浏览器上开发构筑装配动作的脱机示教系统。积木玩具的装配例如图2所示。该模拟器可用Java来记述一切,在任何Internet上都能使用。但现在的Java处理速度较慢,只是C++的十分之一,多边形数多时,晌应性更差。

  还有一例,即在测远仪、立体摄影机、操作机的前面使用接触棒等而构筑的系统。这种系统为设计接触棒的动作,要用脱机示教。

   3.4其它

   除以上列举的Internet上机器人的例子之外,请参见参考文献。

   4.对应用的展望                                                             

  从上面列举的连接在Internet的机器人例子来看,像在房间里散步、在美术馆里欣赏等都只限于娱乐的应用范围。当然这也是有希望的领域。这里我想展望包括娱乐在内的网络机器人应用的可能性。

   4.1娱乐

  从上述例中可清楚地知道,只是远距离能看到,作为娱乐的需求是有限的。例如,在美术馆欣赏美术作品、在百货商店中看商品或用摄像机确认旅游胜地的景致等。

  这些应用中存在的问题是图象的质量。尤其是需确认美术作品或商品的质量时,更追求精美的图象。为实现这一愿望,必须开发大容量通信线路、压缩技术、有频带保证的通信协议等。

   4.2远程健康监控

   21世界初叶开始的高龄化社会目前得到控制,一个有希望的应用领域是远程健康监控。它在人们的日常生活中,睡眠、吃饭、沐浴、排泄等一系列生理活动进行长时间测定,而使用者可无意识的、随意做任何事情,测定的数据自动送到远程管理中心进行分析,若发现异常立即进行诊断和治疗。

  日常生活中需测定的生理量有:在床上需要测的有体温、体动、睡眠时间、心电图、心率、呼吸;在浴池中需要测的有脉搏跳动速度;在洗手间需要测的有体重、排泄量、血液成分等。例如,开发采用视觉的自动诊断系统,它可以对睡眠时无呼吸症状的疾病进行自诊断。

  还有更简单的系统,如使用在家庭热水壶上的传感器,它可以随时将热水的情况数据送到监视中心,以保障独居老人安全的系统,已试验运行,预计将产品化。其它还有面向众多企业应用的研究开发。

   为扩大这种应用,必须开发用于生理量等的无拘束检测技术、“傻瓜”人- 机接口、永久性的通信密码技术、便于家庭内简便连接机器技术等。其中前两项并非只是机器人研究人员应开发的技术。

   4.3远程操作

  远程操作的应用较多,例如,偏远地区的远程手术、远程的家庭护理、简单的看护等。然而目前的远程操作技术用于上述的内容,可以说还不太成熟。

  例如,要求灵活性和高可靠性的操作技术、若出现通信时间延迟也能简单使用的自律动作计划技术、对象物的识别及定位用的视觉技术等都需要进一步改善。还有在公用空间不能伤害到人的安全性也很重要。再有实现上述zui尖端技术的前提是要降低成本。一套这种设备必须控制在50万日元以下,尤其是家用的,否则是没有市场的。

   5.结束语                                               

  以上是对远程机器人及网络机器人技术的展望。两者的不同可以说是标准化和分散化的问题。另外网络和机器人的融合也刚开始,今后还会有很大的发展。

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