采用受控Petri網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)模型

張國(guó)亮，鐘必能

（華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門361021）

在機(jī)器人遙操作系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的通訊時(shí)延是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，然而，遙操作系統(tǒng)本身異構(gòu)的平臺(tái)使得時(shí)延難以直接得到消除.傳統(tǒng)的處理方法多從控制算法的角度考慮，如耗散理論和波變量控制［1-2］、LQG 最優(yōu)控制［3］、H∞控制［4-7］和滑模控制［8］等.但 Smith［9］、侯志林等［10］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這類從控制結(jié)構(gòu)角度考慮的方法僅能應(yīng)用在時(shí)延小于2 s的情況，難以應(yīng)對(duì)變時(shí)延和大時(shí)延問(wèn)題.從穩(wěn)定性角度來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）遙操作是目前克服遙操作大時(shí)延的最有效方法［11］.然而，基于VR的遙操作系統(tǒng)面臨的重要問(wèn)題是軟件仿真與控制系統(tǒng)驗(yàn)證相互分離，當(dāng)VR仿真系統(tǒng)與實(shí)際環(huán)境情況之間存在巨大差異或操作任務(wù)發(fā)生改變時(shí)，需要對(duì)整個(gè)VR系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)，難以形成統(tǒng)一有效的保障措施和評(píng)價(jià)體系.為此，本文提出利用Petri網(wǎng)作為分布式遙操作控制系統(tǒng)模擬與驗(yàn)證的工具，基于時(shí)序邏輯的推理規(guī)則，描述操作任務(wù)間的因果關(guān)系，并將它與面向?qū)ο蟮臋C(jī)器人建模方法結(jié)合，對(duì)機(jī)器人遙操作控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行描述.

1 基于面向?qū)ο缶幊痰臋C(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)建模

虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)是利用虛擬預(yù)測(cè)環(huán)境代替真實(shí)環(huán)境與操作者完成交互，操作者操作的對(duì)象是沒(méi)有時(shí)延的虛擬對(duì)象，由此能夠消除時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響.由于機(jī)器人操作場(chǎng)景復(fù)雜，涉及的運(yùn)動(dòng)實(shí)體多，因此，如何有效地描述機(jī)器人及其環(huán)境的虛擬模型是機(jī)器人遙操作軟件系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵步驟.為保證系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)具有通用性和充分的可擴(kuò)展性，文中借鑒軟件工程中面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對(duì)靜態(tài)被動(dòng)操作目標(biāo)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)體建模.這一結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)模型的復(fù)雜性不再與完成的任務(wù)有關(guān)，而主要依賴對(duì)象的重用擴(kuò)展性及其相互之間關(guān)系的描述.

為在OOP的對(duì)象描述與Petri網(wǎng)形式化模型之間建立映射關(guān)系，借助本體論中“知識(shí)”概念集合來(lái)建立模型本體庫(kù).首先，采用非形式化語(yǔ)言確定本體論中“知識(shí)”的主題范圍，根據(jù)主題范圍識(shí)別語(yǔ)義關(guān)系，建立抽象的概念集合，此概念集合為OOP的描述性模型和Petri網(wǎng)的形式化模型中各組成元素共享；然后，將OOP的軟件方法與本體論中的定義映射，生成統(tǒng)一的集成本體集合.最后，將此集合形式化描述為OOP中的類、對(duì)象和屬性.

圖1 基于面向?qū)ο缶幊痰臋C(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Robot virtual reality system based on OOP

圖1為基于面向?qū)ο缶幊痰臋C(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng).由圖1可看出：模型的本體結(jié)構(gòu)具體可分為抽象層、具體層和實(shí)體層3個(gè)層次，每一個(gè)層次結(jié)構(gòu)以類的形式組織，子類能夠繼承父類的抽象特性，代表比其父類更具體或范圍更小的實(shí)體概念.抽象層用于描述共有的、基本的概念和規(guī)則，以及它們之間的本質(zhì)聯(lián)系，由基本元素、結(jié)構(gòu)元素和特征元素構(gòu)成.其中：基本元素是與模型中與基本圖元相對(duì)應(yīng)的概念集合；結(jié)構(gòu)元素是描述模型中層次結(jié)構(gòu)的概念集合；特征元素是對(duì)基本圖元的特征進(jìn)行實(shí)際描述的概念集合.具體層是抽象層本體模型的子類，包括對(duì)象間的空間位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，物理特征屬性，如材質(zhì)、紋理、顏色、光照等.實(shí)體層是由抽象層本體和具體層本體產(chǎn)生的實(shí)例，用于具體描述本體論中實(shí)體的性質(zhì).

在VR建模的過(guò)程中，機(jī)器人關(guān)節(jié)等運(yùn)動(dòng)實(shí)體會(huì)在操作過(guò)程中發(fā)生空間位置的相對(duì)變化 .為保證虛擬運(yùn)動(dòng)與真實(shí)運(yùn)動(dòng)的一致性，基于OOP的建模原則，將機(jī)器人的基座作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系的原點(diǎn)，同時(shí)指定其為父節(jié)點(diǎn)，將機(jī)器人手臂模型文件以子節(jié)點(diǎn)的方式調(diào)入場(chǎng)景，進(jìn)行物理特性的描述，并按運(yùn)動(dòng)的邏輯關(guān)系進(jìn)行裝配.按照這種關(guān)系建立起的虛擬對(duì)象運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，完全模擬了機(jī)器人和被操作物體之間的空間運(yùn)動(dòng)關(guān)系.在驅(qū)動(dòng)虛擬模型時(shí)，父節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可以直接傳遞到子節(jié)點(diǎn)上，從而不需要經(jīng)過(guò)繁瑣的機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算.

2 利用Petri網(wǎng)分析遙操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為

2.1 基于虛擬可操作對(duì)象的系統(tǒng)確認(rèn)服務(wù)模型

為清晰描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，借助虛擬可操作對(duì)象（VOO）對(duì)遙操作系統(tǒng)中可操作單元進(jìn)行抽象定義.VOO代表實(shí)際操作指令中操作能力、查詢能力和受控能力的具體描述.采用客戶-服務(wù)器雙端口網(wǎng)絡(luò)，建立操作者與遠(yuǎn)端機(jī)器人系統(tǒng)之間的信息交換工作模式，如圖2所示.遠(yuǎn)端機(jī)器人系統(tǒng)是信息服務(wù)的提供者，而客戶端的操作者是信息服務(wù)的請(qǐng)求者.同時(shí)，在客戶端和服務(wù)器端分別建立VOO請(qǐng)求器和VOO應(yīng)答器，用于系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接與通訊.服務(wù)器端的VOO實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端實(shí)際機(jī)器人的具體控制，而客戶端的VOO代表了操作者本人及其交互平臺(tái).

圖2 遙操作機(jī)器人系統(tǒng)確認(rèn)服務(wù)機(jī)制Fig.2 Scheme of teleoperation robot verification service

為實(shí)現(xiàn)“操作者”與“機(jī)器人”之間有效的溝通，采用遵循確認(rèn)服務(wù)運(yùn)行機(jī)制的協(xié)議數(shù)據(jù)包（PDP）來(lái)定義VOO的層次結(jié)構(gòu)信息及相應(yīng)數(shù)據(jù).首先，操作者向服務(wù)器發(fā)出PDP請(qǐng)求，并一直處于等待VOO應(yīng)答狀態(tài)；然后，VOO應(yīng)答器接收并取走該請(qǐng)求，再傳送給虛擬操作單元；最后，機(jī)器人完成任務(wù)后將確認(rèn)信息按PDP格式重新發(fā)送回請(qǐng)求器，并恢復(fù)請(qǐng)求器初始狀態(tài).按照這種工作模式，操作者在前一任務(wù)未完成時(shí)，不能執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作命令，從而使遙操作系統(tǒng)的安全得到保障.

2.2 基于Petri網(wǎng)的共享控制系統(tǒng)模型

基于VOO的系統(tǒng)確認(rèn)服務(wù)模型，采用受控Petri網(wǎng)描述共享控制下遙操作系統(tǒng)模型，如圖3所示.操作者首先發(fā)出控制請(qǐng)求，信息經(jīng)由服務(wù)器端VOO應(yīng)答器進(jìn)入服務(wù)器端.如果是VOO的信息查詢指令，變遷事件t22觸發(fā)，并通過(guò)變遷事件t26向客戶端反饋當(dāng)前VOO的工作狀態(tài)；如果是VOO的操作控制指令，則由變遷事件t23將VOO的操作信息放入機(jī)器人規(guī)劃器狀態(tài)庫(kù)所p22.它一方面可以通過(guò)變遷事件t24對(duì)所給定任務(wù)進(jìn)行自主規(guī)劃，另一方面，可以接受主端操作者發(fā)出的直接控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作.

為保證操作執(zhí)行的有效性和安全性，在虛擬操作對(duì)象執(zhí)行具體動(dòng)作之前，應(yīng)向主端操作者提交即將執(zhí)行的方案，只有經(jīng)過(guò)主端操作者確認(rèn)或修正后的方案才能提交，并最終由虛擬操作對(duì)象執(zhí)行.同時(shí)，為體現(xiàn)主端操作者干預(yù)能力，在模型中添加控制庫(kù)所c1和c2.其中：c1在最底層控制虛擬操作設(shè)備的動(dòng)作執(zhí)行；c2則控制虛擬操作對(duì)象重新規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)主端操作者干預(yù)之后的重新自主規(guī)劃.

圖3 基于Petri網(wǎng)的共享控制系統(tǒng)模型Fig.3 Model of shared control system based on Petri net

3 實(shí)驗(yàn)分析

按照文中OOP的建模理論，搭建了基于虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作機(jī)器人場(chǎng)景，如圖4所示.圖4中的整個(gè)虛擬操作環(huán)境分為2個(gè)子模型，即靜態(tài)的場(chǎng)景和動(dòng)態(tài)的機(jī)器人.靜態(tài)場(chǎng)景包括一水平地面、一帶有四個(gè)門的房子、四個(gè)球體障礙物，這些對(duì)象只有確定的圖元和特征屬性的描述，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)層次關(guān)系.動(dòng)態(tài)的機(jī)器人需要在場(chǎng)景中隨時(shí)運(yùn)動(dòng).因此，采用父子繼承關(guān)系來(lái)描述基座與機(jī)械臂模型之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，從機(jī)器人底座到手臂末端形成一個(gè)控制鏈，此控制鏈將作為整個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入到虛擬場(chǎng)景中.

從圖4可知：所提出的建模方法能有效地描述機(jī)器人及其周圍環(huán)境，且依據(jù)層次化建模關(guān)系，模型的修改和擴(kuò)展非常容易，使得系統(tǒng)建模的復(fù)雜性不再依賴于具體的操作任務(wù).

圖5，6分別是直接控制和監(jiān)督控制的系統(tǒng)模型.由圖5可知：直接控制中的變遷事件t23按照操作者發(fā)出的控制指令順序依次執(zhí)行，操作者意圖可直接傳達(dá)到遠(yuǎn)端虛擬機(jī)器人，操作直觀易行.但如果遠(yuǎn)端系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，主端操作者無(wú)法及時(shí)得到通知，對(duì)于系統(tǒng)的安全性造成威脅.由圖6可知：監(jiān)督控制可接受主端操作者發(fā)出的相對(duì)復(fù)雜任務(wù)指令，且有能力通過(guò)變遷事件t24對(duì)所給定任務(wù)進(jìn)自主行規(guī)劃，智能程度較高.然而，這一控制結(jié)構(gòu)必須對(duì)操作任務(wù)和操作環(huán)境具備充分的認(rèn)知，當(dāng)操作環(huán)境或任務(wù)改變時(shí)，監(jiān)督控制無(wú)法有效執(zhí)行.

圖4 虛擬現(xiàn)實(shí)及操作控制演示界面Fig.4 Interface of virtual reality and operation

圖5 遙操作機(jī)器人直接控制系統(tǒng)模型Fig.5 Model of direct teleoperation robot

圖6 遙操作機(jī)器人監(jiān)督控制系統(tǒng)模型Fig.6 Model of supervised teleoperation robot

在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)環(huán)境下，3種控制方法的機(jī)器人避障操作用時(shí)（t）和任務(wù)完成情況，如表1所示.從表1可知：所研究的共享控制模型可讓操作者和遠(yuǎn)端機(jī)器人在操作過(guò)程中責(zé)任和智能共享，體現(xiàn)了機(jī)器人與操作者的協(xié)調(diào)規(guī)劃能力.這一方法的任務(wù)用時(shí)比直接控制方法短，且在動(dòng)態(tài)環(huán)境下無(wú)需監(jiān)控反饋.雖然，操作者的操作時(shí)間比監(jiān)督控制有所加長(zhǎng)，但是，系統(tǒng)操作的可靠程度明顯優(yōu)于督控制方法.

表1 不同環(huán)境下的避障操作情況Tab.1 Obstacle avoidance under different condition

4 結(jié)束語(yǔ)

以機(jī)器人遙操作系統(tǒng)為研究對(duì)象，給出一種適合于描述機(jī)器人遙操作控制系統(tǒng)的軟件建模方法.利用OOP豐富的對(duì)象描述手段和Petri網(wǎng)形式化的分析方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并從理論模型上探討基于受控Petri網(wǎng)建立虛擬現(xiàn)實(shí)遙操作系統(tǒng)的可能，從而為今后進(jìn)一步發(fā)展大規(guī)模復(fù)雜化模型奠定理論研究基礎(chǔ).

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