基于Internet多機(jī)器人遙操作系統(tǒng)安全機(jī)制的研究.pdf

1、隨著人類對于空間、深海、核輻射等危險與極限環(huán)境內(nèi)作業(yè)需求的不斷提升，遙操作技術(shù)發(fā)揮著越來越重要的作用，成為機(jī)器人領(lǐng)域重要的研究方向之一。多操作者多機(jī)器人(MOMR)遙操作具有分布式、作業(yè)能力強(qiáng)等優(yōu)勢，且使用Internet作為遙操作系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體，為遙操作系統(tǒng)增加了公眾性、分布性、設(shè)備共享等新特點。因此如何克服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)特性中的不利影響因素，安全可靠地實現(xiàn)基于Internet網(wǎng)絡(luò)的多操作者多機(jī)器人遙操作是目前重要的研究方向，

2、并且通過研究Internet遙操作技術(shù)可以為機(jī)器人技術(shù)在空間、深海等其他領(lǐng)域的應(yīng)用提供必要的理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。
　　為了全面把握系統(tǒng)安全性，本文首先對MOMR網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)安全影響因素進(jìn)行了深入分析，作為實現(xiàn)安全機(jī)制的基礎(chǔ)?；诠收蠘浞治觯‵TA）理論分析了系統(tǒng)安全影響因素，利用最小割集刻劃了系統(tǒng)危險狀態(tài)的基本事件組合，直觀地描述出系統(tǒng)中臨界故障情況和安全影響因素之間的作用關(guān)系。對系統(tǒng)安全因素的分析表明，系統(tǒng)安全性表現(xiàn)為一種行為

3、模式集合，該集合中操作者智能參與性、虛擬環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)交互、和系統(tǒng)安全規(guī)劃等方面是實現(xiàn)系統(tǒng)安全機(jī)制的關(guān)鍵。
　　系統(tǒng)安全機(jī)制是對系統(tǒng)安全功能要素的結(jié)構(gòu)模型及其相互作用關(guān)系的刻畫，能夠保證系統(tǒng)的安全性。本文在對影響安全機(jī)制的多種因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立了基于主端監(jiān)控層、網(wǎng)絡(luò)交互監(jiān)控層和從端監(jiān)控層動態(tài)交互的分層安全機(jī)制，在主端實現(xiàn)基于虛擬向?qū)Ｐ?、協(xié)商和虛擬碰撞檢測的安全控制；在網(wǎng)絡(luò)交互監(jiān)控層實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)交互平臺，并通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)方法提

4、高網(wǎng)絡(luò)安全控制性能；在從端基于實時避碰和機(jī)器人緊急狀態(tài)處理方法驅(qū)動機(jī)器人避免危險；同時，通過各層的安全控制信息和指令交互，實現(xiàn)系統(tǒng)安全信息的模塊化、分布式交互與控制。
　　鑒于Internet網(wǎng)絡(luò)中存在傳輸異常的情況，會影響系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)對象間的動態(tài)交互，進(jìn)而對系統(tǒng)的整體安全產(chǎn)生不利影響，本文基于JavaRMI的遠(yuǎn)程對象調(diào)用技術(shù)與CORBA對象網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立分布式網(wǎng)絡(luò)交互平臺，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸與控制的交互性能，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來的不利影響，提

5、高系統(tǒng)安全水平。文中基于CORBA規(guī)范，提出實時線程池、分布式數(shù)據(jù)分配等方法，增強(qiáng)了CORBA平臺的實時性。設(shè)計了基于RMI-IIOP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信模式，并采用面向?qū)ο蟮腏ava3D建模技術(shù)建立了基于Java-CORBA的分布式對象虛擬環(huán)境，并基于該平臺設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)方法，有效增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)對象間的遠(yuǎn)程交互性能。
　　由于機(jī)器人智能化水平有限，因此本文通過虛擬環(huán)境中虛擬向?qū)У姆治龊驮O(shè)計，保證了人的智能參與能力，為操作者直觀、安全地進(jìn)行

6、機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃提供了良好地輔助工具和保護(hù)措施。文中引入虛擬向?qū)Ц拍睿紫冉o出虛擬向?qū)Ｐ偷亩x及其統(tǒng)一描述形式。其次建立面向安全機(jī)制的檢測虛擬向?qū)Ｐ?，實現(xiàn)時延向?qū)Ш团鲎差A(yù)測向?qū)?。最后提出并實現(xiàn)三種控制模式下的虛擬向?qū)?，輔助操作者在主端更好地完成智能安全規(guī)劃。
　　多機(jī)器人在共享空間中的協(xié)調(diào)作業(yè)，可以提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)能力，同時對實時規(guī)劃安全性提出了很高的要求。本文依據(jù)建立的多機(jī)器人安全規(guī)劃策略，在從端設(shè)計了基于機(jī)器人速

7、度和位置的改進(jìn)勢場法，實現(xiàn)機(jī)器人實時安全規(guī)劃。根據(jù)機(jī)器人位姿反饋信息，在多機(jī)器人共享空間中進(jìn)行碰撞檢測后，根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)安全臨界區(qū)域，利用改進(jìn)勢場法進(jìn)行機(jī)器人安全運(yùn)動規(guī)劃，作為主端規(guī)劃失效情況下的底層保護(hù)措施。
　　為了驗證MOMR網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)安全機(jī)制性能，本文設(shè)計了以下三個實驗。首先通過共享工作空間中多機(jī)器人松協(xié)調(diào)運(yùn)動實驗，驗證了基于改進(jìn)勢場法的安全規(guī)劃算法。其次通過多機(jī)器人移動積木實驗，驗證了基于虛擬向?qū)У奶摂M環(huán)境中采用多模