[科普中國(guó)]-遠(yuǎn)程操作

簡(jiǎn)介

遠(yuǎn)程操作是利用無(wú)線或電信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)端的設(shè)備進(jìn)行操作，通常通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才能進(jìn)行。位于本地的計(jì)算機(jī)是操縱指令的發(fā)出端，被控對(duì)象叫做被控端或服務(wù)器端。遠(yuǎn)“程”不等同于遠(yuǎn)“距離”，主控端和被控端可以是位于同一局域網(wǎng)的同一房間中，也可以是連入Internet的處在任何位置的兩臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)。

遠(yuǎn)程操作技術(shù)可應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控和計(jì)算機(jī)教學(xué)等方面。遠(yuǎn)程操作軟件其實(shí)質(zhì)是一個(gè)客戶(hù)/服務(wù)器的應(yīng)用程序。1

機(jī)器人遠(yuǎn)程操作研究歷史早在本世紀(jì)60 年代, 國(guó)外就有一些專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始致力于機(jī)器人遠(yuǎn)程操作的研究。那時(shí)主要是為了星際探險(xiǎn), 如有時(shí)需要在地面上操作空間機(jī)械手完成一些諸如修復(fù)空間站、回收衛(wèi)星等任務(wù)。準(zhǔn)確地講,這種操作是使用無(wú)線電的遙操作。由于信號(hào)傳輸速率的限制(電磁波速), 對(duì)于近地軌道(約6000km), 信號(hào)往返傳輸時(shí)延為0.4s , 而深空近月軌道時(shí)延達(dá)3s ,再加上其它因素的影響(如計(jì)算機(jī)處理時(shí)間、通信初始化等), 整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)延約6 ～ 15s。而研究表明, 當(dāng)延遲大于1/4s 時(shí), 操作人員就能明顯感覺(jué)到延遲的存在, 而且操作性能也會(huì)顯著降低。2

基于WWW 的機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作就是將機(jī)器人構(gòu)建在Internet 的一個(gè)Web 站點(diǎn)上, 操作人員通過(guò)Web 瀏覽器(如Netscape Navigator 或Microsoft Internetexplorer)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。這種遠(yuǎn)程操作與空間機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控的最大共同點(diǎn)即在于都具有較大的傳輸時(shí)延。在傳輸速率為14.4kbps 的通信線路上, 傳輸時(shí)延約為6 ～ 11s。由此完全可以想到在Internet 上來(lái)模擬進(jìn)行空間機(jī)器人試驗(yàn)。而且對(duì)于同樣具有較大傳輸時(shí)延的深海機(jī)器人試驗(yàn)也可以如此。實(shí)際上這只是基于WWW 的機(jī)器人的用途之一, 而且這也是其最初被廣泛研究的最主要原因。

當(dāng)今Internet 幾乎無(wú)處不在, 它極其方便地為人們提供了各種各樣的信息和資源?；赪WW 的機(jī)器人的極大特點(diǎn)就是開(kāi)放性。任何人在任何時(shí)候、任何地方, 只要能連上Internet , 就能實(shí)現(xiàn)對(duì)其的操作,而且普通用戶(hù)可以不必了解機(jī)器人復(fù)雜的操作原理也能進(jìn)行操作。WWW 的支持協(xié)議是HTTP(Hyper-Text Transfer Protocol), 它支持各種格式文件, 包括多媒體圖像、視頻等, 因此可以構(gòu)造出生動(dòng)友好的操作界面。另一方面, 由于Web 瀏覽器軟件比較便宜(如免費(fèi)IE), 因此也降低了操作成本。2

國(guó)外研究進(jìn)展1993 年美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)Johnson 航天中心與德州的四所大學(xué)成功地進(jìn)行了機(jī)器人遠(yuǎn)程分布式操作試驗(yàn)。該項(xiàng)試驗(yàn)是通過(guò)Internet 在Johnson 航天中心操作位于Texas A&M 大學(xué)和Texas 大學(xué)Austin 分校的機(jī)器人, 并同時(shí)在Arlington分校和Rice 大學(xué)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和性能分析。1994 年美國(guó)南加州大學(xué)完成Mercury 項(xiàng)目:該項(xiàng)目允許遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)Web 瀏覽器操作一機(jī)械手進(jìn)行文物挖掘。同時(shí)南加州大學(xué)在Internet 上已公開(kāi)的另一個(gè)比較有趣的項(xiàng)目是“ TeleGarden” :Web 訪問(wèn)者可以操作一個(gè)ADEPT 機(jī)械手進(jìn)行種植, 灌溉花園等活動(dòng)。

與此較類(lèi)似的有英國(guó)Bradford 大學(xué)工業(yè)技術(shù)系(Dept .Industrial Tech.)于1996 年研制的名為BradfordRobotic Telescope 天文望遠(yuǎn)鏡。該天文望遠(yuǎn)鏡已在Internet 對(duì)外開(kāi)放, 天文愛(ài)好者可以通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)其主頁(yè), 操作望遠(yuǎn)鏡的角度和焦距, 而且一般可以在第二天從你的E -mail 信箱里收到觀測(cè)結(jié)果。

另外還有Berkeley 大學(xué)研制的Mechanical Gaze系統(tǒng) , 西澳洲大學(xué)的Telerobot等。2

基本操作方案(1)直接操作(Direct Control):這種操作方式也被稱(chēng)作木偶式(puppet approach)。即由操作人員完全操作遠(yuǎn)程機(jī)器人, 對(duì)機(jī)器人某些設(shè)備、裝置直接發(fā)送動(dòng)作指令函數(shù)以完成某項(xiàng)任務(wù)。這顯然對(duì)操作人員的要求比較高, 操作人員需了解機(jī)器人底層指令或編程語(yǔ)言。其基本結(jié)構(gòu)圖如下。

另一方面, 利用虛擬現(xiàn)實(shí)模型語(yǔ)言VRML(VirtualReality Model Language)構(gòu)造的虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality)環(huán)境也可以實(shí)現(xiàn)這種直接操作。

(2)監(jiān)督操作(Supervisory Control):這種操作方式首先是由W.R.Ferrel 和T.B.Sheridan 于1967 年提出的。其最初是用以研究空間探險(xiǎn)機(jī)器人的。在傳統(tǒng)的雙向力反應(yīng)遙控機(jī)器人系統(tǒng)中, 當(dāng)主從兩端存在明顯的通訊時(shí)延時(shí), 直接主從操作不得不采取“走一走, 等一等” 的方式來(lái)保證操作過(guò)程的穩(wěn)定性。這就增大了任務(wù)完成的時(shí)間, 也加大了任務(wù)的難度。因此提出了監(jiān)督操作。其基本思想就是將遠(yuǎn)程操作人員置于操作結(jié)構(gòu)閉環(huán)之外, 從而努力減小傳輸時(shí)延對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。遠(yuǎn)程操作人員只是發(fā)送目標(biāo)任務(wù)或很小一部分相關(guān)的必需指令給遠(yuǎn)端, 而任務(wù)具體由遠(yuǎn)端回路自治完成;在操作人員方的監(jiān)控回路向操作員提示有關(guān)的傳感器信息, 在存在通訊時(shí)延的情況下, 還可以進(jìn)行預(yù)報(bào)遠(yuǎn)端下一動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)原理圖如下所示。

在遠(yuǎn)程被控機(jī)器人端, 含有一上位緩沖器用于接收、存儲(chǔ)遠(yuǎn)端發(fā)至的任務(wù)或指令, 并由它“二次”發(fā)指令給本地機(jī)器人。由于是處于本地, 故不存在時(shí)延和不穩(wěn)定性的影響。這種方法充分利用了執(zhí)行端的本地智能。這種方法一個(gè)典型的應(yīng)用就是遠(yuǎn)程機(jī)器人路徑規(guī)劃和避碰試驗(yàn)。

(3)預(yù)測(cè)/預(yù)演操作(Predictive/Preview DisplayControl):這種方法是在將操作指令發(fā)給遠(yuǎn)端之前, 先在本地模型對(duì)象上進(jìn)行模擬預(yù)演指令執(zhí)行效果, 并且遠(yuǎn)端也將實(shí)際執(zhí)行過(guò)程通過(guò)視頻或其他測(cè)量數(shù)據(jù)反饋回來(lái), 這樣就大大提高了動(dòng)作執(zhí)行的可靠性和正確性。但這種方案比較復(fù)雜, 其結(jié)構(gòu)原如下圖所示。

上述三法中顯然由于監(jiān)督操作(SupervisoryControl)將遠(yuǎn)程操作人員置于閉環(huán)之外, 其響應(yīng)時(shí)延的影響也較小, 而且這種方法充分利用了執(zhí)行端的本地智能, 具有較強(qiáng)的容錯(cuò)和糾錯(cuò)能力(如機(jī)器人可以忽略甚至自動(dòng)改正一些錯(cuò)誤指令), 同時(shí)它還可以使遠(yuǎn)程操作人員不必持續(xù)監(jiān)視機(jī)器人的工作, 從而可以減輕操作人員的工作強(qiáng)度。2

應(yīng)用前景由于通信的延遲性和不穩(wěn)定性, 在目前該項(xiàng)研究還只是處于試驗(yàn)階段, 但從已有的成果我們可以看到它潛在的應(yīng)用前途。利用基于WWW 的遠(yuǎn)程機(jī)器人可以模擬進(jìn)行空間或水下機(jī)器人試驗(yàn);同時(shí)對(duì)于具有較大延遲環(huán)節(jié)的工業(yè)過(guò)程操作系統(tǒng), 也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

另一方面, 若將這種技術(shù)思想推廣應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域中, 即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與操作網(wǎng)絡(luò)的集成。并可實(shí)現(xiàn)虛擬工廠(Virtual Plant)和虛擬制造(Virtual Manufacture)。另可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程共享, 以進(jìn)行遠(yuǎn)程科學(xué)實(shí)驗(yàn), 這也符合VI(Virtual Instrument)和VL(VirtualLaboratory)的基本思想。

相信隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步, 通信傳輸?shù)难舆t性和不穩(wěn)定性將逐漸地不再是束縛遠(yuǎn)程操作的瓶頸, 這種基于Internet 的遠(yuǎn)程操作技術(shù)將會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。2

遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是開(kāi)發(fā)自身程序代替系統(tǒng)提供的程序。于是一個(gè)遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)的功能的強(qiáng)弱就與開(kāi)發(fā)者對(duì)系統(tǒng)的深入了解程度而定。

基本原理和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 遠(yuǎn)程操作軟件以“ 客戶(hù)機(jī)/ 服務(wù)器” 形式存在, 包括一個(gè)客戶(hù)機(jī)程序(Client)和一個(gè)服務(wù)器程序(Server或Systry)。服務(wù)器程序安放在被操作的計(jì)算機(jī)端, 客戶(hù)機(jī)程序安裝在操作端。

運(yùn)行原理 服務(wù)器程序安裝成功之后便會(huì)自動(dòng)收集目標(biāo)計(jì)算機(jī)的資料, 包括IP 地址、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、OS環(huán)境(甚至超級(jí)用戶(hù)口令)等, 然后將獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)加密處理后形成特殊的確認(rèn)幀, 反復(fù)發(fā)往客戶(hù)機(jī)程序所在計(jì)算機(jī)(或另一虛擬地址空間), 申請(qǐng)被控連接。

客戶(hù)機(jī)程序安裝成功之后會(huì)在網(wǎng)絡(luò)上收集服務(wù)器程序發(fā)回的確認(rèn)幀信息, 并按照確認(rèn)幀中的環(huán)境參數(shù)選擇和配置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 最后向遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)發(fā)出連接、操作指令。當(dāng)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)連通之后客戶(hù)機(jī)程序根據(jù)操作員意圖向遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)發(fā)出指令,并負(fù)責(zé)根據(jù)服務(wù)器程序發(fā)回的數(shù)據(jù)信息在本機(jī)上再現(xiàn)遠(yuǎn)端機(jī)屏幕狀態(tài)。服務(wù)器程序則根據(jù)指令完成系列進(jìn)程操作和數(shù)據(jù)傳輸。3

具體網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊可以通過(guò)WinSock、使用命名管道和郵箱、使用RPC等,。一般來(lái)講, 服務(wù)器程序可以同時(shí)接受多個(gè)客戶(hù)端的連接請(qǐng)求和其它處理請(qǐng)求, 而客戶(hù)端也可以同時(shí)連接到幾個(gè)服務(wù)器上。在交換數(shù)據(jù)報(bào)之前, 必須計(jì)算出數(shù)據(jù)源, 主機(jī)不但要檢查IP 報(bào)頭, 還要檢查T(mén)CP 和UPT 報(bào)頭中的兩個(gè)域:2 字節(jié)的IP 源和2 字節(jié)的端口號(hào)。

要完成網(wǎng)絡(luò)連接, 另一個(gè)值得注意的問(wèn)題是:對(duì)與采用PPP 方式連接的對(duì)等網(wǎng), 每臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP 地址是隨機(jī)分配的, 所以在運(yùn)用Socket 進(jìn)行連接時(shí), 應(yīng)該模仿Windows 自身的網(wǎng)絡(luò)連接方式——— 先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址掃描, 找到網(wǎng)上的所有計(jì)算機(jī)(同一域或者不同域)。3