面向核事故應急處置的遙操作系統設計與實驗研究

摘 要：

針對核事故現場的物理屏蔽嚴重、應急處置作業條件復雜、作業對象不明確等特點，研究并設計了一款基于動態自組網的機器人遙操作系統。在自組織網絡實時Mesh保持良好通訊的情況下，利用疊加在真實回傳視頻中的虛擬模型，提出一種基于空間梯度的人工勢場力覺引導算法。操作者可通過觀察視覺交互系統中模型的變化和感受施加在自研主手的引導力，提高時延條件下的操作效率和臨場感。實驗表明，核輻射條件下遙操作系統130 m的通訊時延在30 ms以下，可滿足視頻傳輸的帶寬要求。力覺引導下的物體避障抓取實驗驗證了算法的可行性和遙操作系統的工程實用性。因此，本文設計的基于動態自組網的機器人遙操作系統，可使操作者以更加直觀自然的方式參與到遙操作系統中，有效提高操作員完成復雜遙操作任務的安全性和操作性能。

關鍵詞：

核事故; 遙操作系統; 自組織網絡; 力覺引導; 臨場感

中圖分類號：

TP 242

文獻標志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.05.15

Design and experimental study of teleoperation system for emergency response in nuclear accident

LI Hang*， HOU Yanpeng， CHOU Wusheng， MENG Lingda

（School of Mechanical Engineering amp; Automation， Beihang University， Beijing 100191， China）

Abstract：

A robot teleoperation system based on dynamic self-organizing network is studied and designed to address the characteristics of severe physical shielding， complex emergency response conditions， and unclear operation objects at nuclear accident sites. A spatial gradient based artificial potential field force guidance algorithm is proposed using virtual models superimposed on real backhaul videos while maintaining good communication in a ad-hoc network’s real-time Mesh. Operators can improve operational efficiency and telepresence under time delay conditions by observing changes in the model in the visual interaction system and feeling the guiding force applied to the self-developed main hand. The experiment shows that under nuclear radiation conditions， the communication delay of the teleoperation system at 130 m is below 30 ms， which can meet the bandwidth requirements of video transmission. The experiment of obstacle avoidance and grasping guided by force guidance is verified the feasibility of the algorithm and the engineering practicality of the teleoperation system. Therefore， the robot teleoperation system based on dynamic self-organizing network designed in this article can enable operators to participate in the teleoperation system in a more intuitive and natural way， effectively improving the safety and operational performance of operators in completing complex teleoperation tasks.

Keywords：

nuclear accident; teleoperation system; ad-hoc network; force guidance; telepresence

0 引 言

核能一直被認為是清潔高效的能源而受到重視，然而一旦發生事故便會嚴重危害公共安全，例如三哩島事故、切爾諾貝利事件以及日本福島核電站特大核泄漏事件等［1-4］。同時，此類災害現場具有強輻射、通訊受阻、作業任務內容復雜、作業對象不明確等特點，使得靠人工很難開展應急處置工作。遙操作技術作為核事故環境下機器人控制的一項解決方案，不僅可以較為精密地執行搬運、拆解等操作，還可以面對非結構化環境下事故突發情況的處理，大大彌補了機器人自主操作智能化的不足，降低機構的故障發生率和損壞率。因此，采用人機交互遠程遙操作技術來控制相關涉核裝置應急處置機器人進入危險核心區進行環境探測、拆解搬運等任務，具有極其深遠的意義。

遙操作技術起始于1949年美國阿貢國家實驗室，第1臺主從式遙操作機器人Model M1的主要用途就是用于放射性核肥料的處理［5］。其后，各國在遙操作方面進行了大量研究，并建立了相應的遙操作系統。日本應用于福島特大核泄漏事故的Packbot和Warrior機器人［6-10］，可以在600 m以外的防護掩體中實施遙控作業，同時反饋現場圖像信息。但由于非結構化環境下的物理屏蔽，使得通訊成為制約處置機器人空間可達性的因素之一，例如Packbot經常作為信號中繼［11］，來保證去污機器人的正常工作，使得自身資源和功能極大地浪費;美國卡耐基梅隆大學的Remote Work Vehicle是一款可用于核電站遠程維護作業的機器人［12-15］，操作者通過遠程控制平臺遙控機械手完成核電站地面清潔任務、清除放射性熱點、核設施退役等作業。然而出于操作者熟練度的不足，在模擬實驗中出現過混淆方向的錯誤，導致目標物損壞。同理，在福島的事故處置過程中，幾乎所有的現場作業都要求進行模擬場景演練［16-17］。

隨著傳感技術、信息技術、自動化技術的不斷發展，此類機器人的可靠性、環境適應性以及功能多樣性成為其主要的發展趨勢［18-19］。文獻［20］中利用臨場感遙操作技術研制出小型核化探測與應急處理機器人，用于戰場或核生化等事故現場代替士兵執行偵查、取樣等任務。Xia等設計了一款排爆機器人靈蜥-HW可用于軍事反恐、搶險救災等領域［21］。此外，還出現了眾多具有特定功能的事故應急機器人，如核環境下探測機器人［22-23］、污染物采樣機器人［24-25］、水下觀測機器人［26-27］、核應急檢修機器人［28-30］等。

綜上，核事故環境下的機器人遙操作系統目前具有以下難點問題：① 由于事故現場的環境信息未知，導致信息采集與通訊質量難以保證;② 操作主端力反饋信息不足以滿足人員的臨場感需求，從而導致操作失誤的情況。因此，本文以一類事故現場應急處置機器人為需求對象，開發了一套基于動態自組網的遙操作系統，設計了一種基于空間梯度的人工勢場力覺引導算法，從而在時延的條件下提高機器人處置作業的效率和準確度。

1 遙操作系統方案設計

本文研究的機器人遙操作系統由串聯式六自由度主手（主端）、動態自組織網絡（通訊環節）、從端機器人3部分組成，如圖1所示。工作流程如下：遙操作系統為一個閉環過程。操作者通過交互軟件界面觀察機器人所處環境，并向主端虛擬模型和從端機器人發送操作指令（如速度、位置信息），從端機器人做相應的位姿運動，隨之機器人的位置、姿態信息以及環境信息通過視頻采集模塊、環境感知模塊同時發送回主端交互平臺上，與虛擬模型生成的引導力融合，通過主手反饋給操作者。操作者結合視覺信息和力覺感知進行下一步指令的發送。

1.1 串聯式六自由度主手

遙操作主手目前在國外已經有較為成熟的商業產品，但行業長期被國際公司壟斷，大工作空間的六自由度力反饋主手價格昂貴且形式功能單一。因此，本文的遙操作系統集成了具有自主知識產權的串聯式力反饋設備，如圖2所示。主手為一個帶有平行四桿機構的六自由度機械臂，主要由回轉腰關節、肩關節、肘關節機械臂及末端球形腕部結構組成。為避免使用過程中各個關節驅動器負載過大，將腰、肘、肩部分電機均置于底座部分，而腕部由于進行交互時需要施加的力較小，采用體積小重量輕的電機并將其內置到了機械結構內，具體參數如表1所示。

為了降低主手自重帶來的關節電機負載，提高操作人員力覺感知的透明度，主手采用了一種新型的被動重力平衡機構，如圖3所示?？赏ㄟ^計算完全平衡自重引起的重力力矩，主要包括肩關節和肘關節重力補償結構兩部分組成。

1.2 動態自組織網絡

在傳統的無限蜂窩通信網絡中，需要布置固定的網絡設備，如基地站的支持等，來進行數據的轉發和用戶服務控制。在整個網絡中需要布置多個設備來進行網絡的相關管理工作，并且這些設備的布置極其繁瑣，甚至需要相關工程師在現場進行調試以保證網絡的正常運行，這種方式顯然不符合核事故環境下對網絡布置的要求。而近些年新興起的自組網的方式，拋棄了傳統的需要基礎設施來進行通訊的方式，采用去中心化的方式，利用移動終端的路由轉發功能來進行信息傳輸，使得網絡內的所有節點處于平等的地位，相關節點可以隨時加入或者離開網絡，單個節點的故障并不會對到整個網絡的性能造成顯著影響。因此，本文的網絡通信環節采用無線自組網的方式進行，各個節點通過無線Mesh的方式迅速組成網絡，及時給信息傳輸構建鏈路，如圖5所示。

整個通信網絡的搭建主要分為信號引入和擴散兩部分。由于當事故發生時，操作人員與事故場地可能并不在同一地點，此時遙操作的距離將十分遠，單獨的局域網可能無法滿足距離要求，因此可以采用公網/自組網的方式，使得機器人可以接入公網，從而通過公網來完成超遠距離的信息傳輸。信號引入部分由一臺5G路由器完成，信號通過有線的方式引入到場地附近后，再通過自組網的方式對其進行展開，來實現環境內網絡全覆蓋。作業機器人則可以通過車載接收器，實現互聯網的接入功能。動態自組織網絡整體架構如圖6所示。

AP（access point）選擇UniFi的UAP-ACM，支持2.4 G、5 G雙頻信號，可以根據需要替換大功率天線，可以直接通過PoE（power over ethernet）對其進行供電，

方便快捷，理論最高速度可達300 Mbps。因為其Mesh組網的方式，在相同節點的不同布置方式下可能會組成不同的拓撲網絡，如圖7與圖8所示，分別為相同的節點在不同放置位置時網絡的拓撲結構圖。可以看到，相關節點根據其他模塊的信號情況自動選擇最優信號進行連接，因為信號質量的不同分別組成了鏈式和網狀的拓撲結構。

另外，考慮實際核輻射的特殊環境，需要對節點進行模塊封裝，本體使用鉛對其進行了保護，防止其受到過多的核輻射導致模

塊電路設備損壞，如圖9所示。由于事故現場中AP節點的部署不能通過人工進行，需要采用機器人投放的方式，因此外殼設計成不倒翁的結構。

2 視覺交互系統下的主手力覺引導算法

2.1 視覺交互系統

在主從遙操作過程中，因為網絡傳輸速度、圖像編解碼算法等因素的影響，操作者往往不得不采用“動-停-動”的方式來克服指令與反饋信息的時延，這給事故處置過程帶來極大的不便。因此，本文的遙操作系統借助虛擬的從端模型來設計主端的視覺交互系統，將實時更新的虛擬模型與時延回傳的真實圖像進行疊加，從而使操作人員可根據預測顯示結果來保證指令的高效發送。同時，虛擬模型也將用于輔助力覺的生成。交互系統疊加流程如圖10所示，

其中VAO（vertex array object）為頂點數組對象，VBO（vertex buffer object）為頂點緩沖區對象，STL（stereo lithography file format）為立體光刻文件格式。

2.2 主手力覺引導算法

2.2.1 主手建模

對于主手的運動學建模，本文采用改進DH（Denavit-Hartenberg）法來進行，可避免閉鏈結構主手在建模時出現坐標系重合而引起的歧義問題。各個關節設計坐標系結果如圖11所示，其中底座高87 mm，大臂長350 mm，小臂長300 mm，在此坐標系基礎上可以得到改進DH法的最終DH參數如表2所示。

3 實驗驗證與結果分析

3.1 遙操作系統實驗平臺搭建

針對第1節系統方案內容建立基于動態自組網的機器人遙操作系統，布局如圖12所示。其中，從端機器人將根據不同測試內容進行替換，視覺交互系統已集成到主端的軟件界面。

3.2 網絡性能測試

由于主、從端需要借助動態自組網進行通訊，同時自組網絡多跳的原因，處于不同鏈路層的網絡質量也會受到影響，因此，對所組建網絡的性能進行測試，并根據測試結果調整自組網的結構，保證網絡性能可用。性能測試主要包括帶寬測試和時延測試，進行網絡性能測試的主要過程如圖13所示，傳輸協議為TCP（transmission control protocol）。

按照上述原理搭建相應的測試服務器對自組網的性能進行測試，分為局域網、5G網兩部分，分別測試上傳速率、下載速率、時延信息，局域網內的性能測試主要為對AP模塊的組網性能進行測試，5G網絡部分的性能測試則代表整個系統的性能。按照上述測試方案進行測試后得到的數據如表3所示，均通過多次測量求均值的方式來保證數據的準確性。

測試時分別采用不同位置、不同組網方式、不同多跳級數來進行，最遠距離達到130 m的距離。通過局域網內性能測試數據對比發現，當每隔65 m進行節點放置時，每級多跳之間的帶寬衰減約為45%，但是由于無距離時局域網內本身就具有174 Mbps的帶寬，在130 m距離布置3個節點經過兩次多跳后仍有55.8 M的帶寬。同時，分析5G網絡的性能發現，每級多跳之間帶寬等并未受到太大影響，并無明顯衰減跡象。分析其原因為，此時5G網絡的最高速率仍在局域網經過兩級多跳后的帶寬范圍內，因此表現出并未衰減的現象，也說明在此條件下，搭建的公網/自組網的方式主要受到運營商網絡信號的制約，所搭建的自組網性能可以將運營商公網的性能完全發揮。

為了進一步檢驗動態自組網的功能，更好地解決實際應用中帶來的不確定因素，本文在輻照中心核環境下，利用動態自組網，進行探查機器人的環境感知與自主導航測試，來驗證網絡通訊構建與數據傳輸的效果，并測試了多AP節點的通訊時延。實驗過程中，將探測機器人作為從端，依靠接收器無線接入到動態自組網中，使得輻射場外的主端可以實時接收到從端不同位置的回傳信息。測試場地與方案布局如圖14所示。

圖15為從端機器人不同位置與AP節點的連接情況，可以發現從端機器人伴隨著移動的進行，實時更新與自組網的橋接點位，機器人位姿信息實時回傳的通訊時延記錄在表4中，如此證明本文設計的遙操作系統動態自組網在核環境下具備良好的通訊性能，時延在30 ms以下。從圖16中可以看到，車載攝像頭借助AP節點實時回傳圖像，雖然圖像受核輻射影響出現雪花，但視頻圖像仍可以穩定傳輸。

3.3 力覺引導下避障抓取實驗

3.3.1 實驗條件與實現

為了驗證本文設計的機器人遙操作系統的可行性，本節進行在力覺引導下的機械臂遙操作避障抓取試驗，從端機器人由UR5機械臂和大環手爪組成，如圖17所示。場景中設定兩個物體，障礙物為圓柱體，目標物為立方體，設置引力位置增益為20，斥力位置增益為0.2，斥力作用距離閾值為0.2 m。實驗過程中，抓取過程如圖18所示。

3.3.2 實驗結果與分析

圖19為力覺引導算法生成的具有梯度變化的人工勢場。在整個水平面XY內，當不在障礙物的斥力作用范圍內時，場內有一個較弱的引導力引導操作者靠近目標物體來進行抓取。而當從端末點靠近障礙物時，便會產生一個較大的斥力來反饋給操作者，使操作者感知到此處距離障礙物較近，即將與其發生碰撞，需要繞行操作。

為了更好地展示避障抓取過程中引導力的變化，我們選取了整個過程中最為代表性的部分，即從端末端運動到（x，y，z）=（0.34，0.34，0.21）時，人為地控制機械臂去靠近障礙物，以此來較為明顯地感受到背向障礙物的斥力。隨后，繼續按照引導力的作用方向進行運動，最終正確的移動到了目標物體前端（x，y，z）=（－0.09，0.65，0.10）。

圖20為上述描述過程的末端移動軌跡，圖21為末端位置和末端引導力在各個方向上的分量。整個過程可以發現，在初始階段T∈（0，7）s時，目標物體位于障礙物后方，并且從端末端當前位置高于目標物體，因此引導力主要為x以及z軸方向，即Fxgt;Fy，Fzgt;Fy。在中期階段T∈（7，14）s，為了驗證斥力場的作用，在運動過程中人為的控制機械臂去沿z軸接近障礙物，在圖21中表現為在8 s時物體的坐標變化趨勢明顯發生了變化，尤其z軸方向。此時x、y、z軸的引導力發生了明顯變化，分別給出了背向障礙物的引導力，阻止我們繼續接近障礙物。隨后在14 s時，重新按照引導力的指引操作從端末端運動到目標物體附近。當接近目標物體時，引導力隨著距離變化進行了衰減，在各個方向上的分量均衰減到了接近0的程度，則表示當前已距離目標物體很近，可以進行抓取。

4 結束語

本文針對核事故現場的通訊受阻、強輻射、作業環境存在未知性等特點，提出并建立了一款基于動態自組網的遙操作系統。其中，動態自組織網絡通過Mesh方式，使得在事故發生時可以立刻實現網絡環境的構建，在130 m核環境下通訊時延在30 ms以下，視頻圖像的傳輸也可穩定進行。為了進一步克服時延所帶來的影響，提出了一種基于空間梯度的人工勢場力覺引導算法，并將引導力施加到自研主手上，以此輔助操作者及時預測從端機器人狀態，提高處置作業中的臨場感。力覺引導下的避障抓取實驗驗證了算法的可行性和所研制遙操作系統的工程實用性。未來將替換從端機器人為應急處置機器人來進行力覺遙操作研究，實現真實事故現場下的遠程遙操作技術。

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作者簡介

李 航（1992—），男，博士研究生，主要研究方向為遙操作系統雙邊控制。

侯彥朋（1998—），男，碩士，主要研究方向為遙操作系統通信技術。

丑武勝（1969—），男，教授，博士，主要研究方向為機電一體化、人機集成與協同技術。

孟令達（1995—），男，博士研究生，主要研究方向為機器人技術。