就遥操作出现的时间来说,它的发展历史并不是很漫长,但是在国内外,由于科学家们的积极探索,遥操作技术发展迅速并被应用在各个方面。
世界上第一个遥操作系统建立于20世纪40年代,当时著名物理学家Fermi在实验室里领导他的团队进行核试验,但是因为核材料放射性极强,会对人体造成巨大伤害,这种危害一直困扰着他们。为了解决这样的问题,Goert于1948年在国家实验室里研制成功,世界上第一个遥操作系统因此诞生。尽管该系统非常简陋,只有一对对称的机械臂,效率低下,难以控制,但是不可否认的是,它的出现揭开了现代遥操作研究的序幕。1954年,Goert又开发了第一个带伺服反馈的机电遥操作系统[21]。通过远程控制,整个系统的操作性能得到大大改善。从60年代开始,各个国家将遥操作技术运用于水下作业。80年代以后,因为计算机技术的迅猛发展,科学家们考虑到将计算机技术运用到遥操作系统中,结果发现效果显著,大大改进了控制算法。20世纪90年代以后,随着各种技术日臻成熟,我们对遥操作技术提出了更高的要求,研究者急于找到能够替代人类在危险环境下作业的机器人,这就促进了交互式遥操作机器人的研究进程。87421
在国外,美国最早运用了遥操作技术。1993年,美国NASA在其航天飞机中使用了FTP系统和DTF21系统,利用遥操作机器人具有临场感这一特点对外层太空进行探索[22];1986年,德国宇航中心开启了一个技术验证计划即著名的ROTEX项目,并在哥伦比亚航天飞机上进行了空间飞行演示。之后,日本也加紧研究步伐,在遥操作技术上投入了大量的人力和财力,终于在1997年发射了ETS2VⅡ型卫星,并对其上装载的空间机器人进行了遥操作实验。可见,遥操作系统在空间技术领域的研究,未来还是非常明亮的。
在国内,由于对遥操作技术研究开始的比较晚,所以相较于国外,此项技术还不够成熟,但是,毋庸置疑,近年来国内的遥操作技术取得了很大的进步。从某种意义上说,国内真正对遥操作技术的研究始于1993年“863”研究计划之后,影响比较深远的是清华大学开发的基于临场感的机器人遥操作系统[22],在该系统内,机器人有各自独立的控制算法,可实现对自身行为的控制;东南大学在则保证系统透明性的前提下,将研究重点转向力觉反馈技术[24];国防科技大学紧随其后,利用VR技术对遥操作机器人进行控制[25]。就国内的空间探索技术而言,科学家们将遥操作技术运用其中,像是“神州八号”的空间交会对接,还有“天空一号”,以及嫦娥三号的安全着陆,都离不开遥操作技术的支持[23]。如今,我们对外太空的探索越来越有热情,必然会推动遥操作技术的快速发展。
以下主要介绍遥操作系统中常用的控制方法:
表1。1 遥操作技术领域相关的控制方法及其特点
控制方法 特点
基于无源性理论的控制方法
该控制方法最终得到的稳定性与系统时延大小并无关系,换句话说,无论在何种时延下,该系统都是稳定的,它的稳定性很强。但是由于实际系统的操作性能较差,操作人员难以对外部环境有较好的感知,容易产生误操作的现象,所以该控制方法一般用于时延较小的系统。
基于事件的控制方法
该控制方法能在保证整个系统稳定的情况下,有效解决网络信息传输延时的问题,但是由于它主要工作集中在合适变量的选择上,所以在实际选取参考变量时,依靠的是选取者的个人经验,所以该控制方法有很大的随机性和局限性。