力觉临场感遥操作机器人技术研究进展
作者简介：宋爱国（1968—
），男，安徽黄山人，1996年于东南大学获博士学位，现为东南大学仪器科学与工程学院院长、教授、博士生
导师，入选国家新世纪百千万人才工程和江苏省333工程中青年领军人才，中国仪器仪表学会理事，中国计量测试学会理事，中国机器人学会（筹）常务理事，江苏省仪器仪表学会秘书长，江苏省计量测试学会副理事长，总装备部某重大专项专家组专家。研究领域：机器人传感与控制技术、信号分析与数据处理等。先后获中国青年科技奖、霍英东青年教师奖、全国高校青年教师奖以及省部级科技进步一等奖1项和二等奖5项。
力觉临场感遥操作机器人技术研究进展
宋爱国
（东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制技术研究所，江苏南京210096）摘
要：人机交互式机器人作为最具实用价值的特种机器人已成为当前机器人学研究的前沿和热点。临场感（telepresence ）技术是人机交互的核心。对临场感遥操作机器人技术的发展和现状
作了回顾，对力觉临场感谣操作机器人的三大关键技术：传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延下的虚拟预测环境建模技术等进行了综述；对临场感遥操作机器人技术的最新前沿即基于生物电信息的人机交互技术进行了介绍；最后并介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所近10年来开展临场感遥操作机器人技术研究及应用所取得的成果。关键词：力觉临场感；遥操作机器人；人机交互；机器人传感器；力触觉再现；大时延
中图分类号：TP24文献标志码：A 文章编号：1671-
5276（2012）01-0001-05The Development of Force Telepresence Telerobot Technique
SONG Ai-guo
（Robot Sensor and Control Institute School of Instrument Science and Engineering ，Southeast University ，Nanjing 210096，China ）Abstract ：Human-robot Interaction robot is currently the frontier and hot of the robotics research．Telepresence is core technique of
the human-robot interaction．In this paper ，we review the history of the telepresence telerobot technology and analyze its three basic techniques ，that is sensing technique ，force feedback and tactile display technique ，predictive virtual environment modeling under time delay．Then ，we briefly discuss the biological electricity based human-robot interaction as the current research hot of telepres-ence teleoperation．At last ，we introduce the development of telepresence telerobot research in Robot Sensor and Control Institute at Southeast University during the past decade．
Key words ：Force telepresence ；teleoperation ；human-robot interaction ；robot sensor ；haptic display ；time delay
0引言
20世纪80年代对智能机器人的研究表明，由于受到
机构、控制、人工智能和传感技术水平的限制，发展能在未知或复杂环境下工作的全自主式智能机器人是目前难以
达到的目标。但随着空间技术、
海洋技术和原子能技术等领域的发展，迫切需要大量工作在危险和危害人体健康环境下的高级机器人。因此，
工作在人与机器人交互方式下的遥操作机器人受到人们的广泛关注和研究。
所谓交互技术包括人与机器人的交互以及机器人与
环境的交互。前者的意义在于由人去实现机器人在未知环境中难以做到的规划和决策，后者的意义在于由机器人去实现人所不能到达的环境中的作业任务。
临场感（telepresence ）技术是人机交互的核心。临场感的概念是指将远地机器人和远地环境的相互作用信息（视觉的、力觉的、触觉的等）实时地反馈给本地操作者，生成关于远地环境映射的虚拟现实，使操作者产生身临其境的感受，从而有效地控制机器人完成复杂的作业任务。
临场感遥操作机器人的实现，将极大地改善机器人的作业
能力，人们可以将自己的智慧同机器人的适应能力相结合而完成有害环境或远距离环境中的作业任务，如空间探索、海洋开发、核能利用、远程医疗、远程实验、军事战场、反恐安保等领域。
正是鉴于临场感遥操作机器人技术的重大意义和应
用价值，
美、日、德、法、英等发达国家竞相投入大量的人力、物力和财力开发相关技术研究和开发。早在1993年，
美国NASA 就开始针对空间作业任务研制出了具有初步临场感效果的遥操作机器人FTS 系统和DTF-1系统，并
将其载入航天飞机中；1993年德国研制的空间机器人ROTEX 首次在哥伦比亚航天飞机上进行了太空飞行实验，
ROTEX 由多传感器的遥操作机器人和6自由度手套式人机接口以及具有预见显示能力的三维虚拟环境图象系统构成；日本也在加紧研制空间站内外用的遥操作机器人系统，并于2000年发射了ETS-VII 型装载了空间机器人的卫星，并进行了初步的遥操作的实验，2002年和2007年先后与德国宇航中心DLR 合作在ETS-VII 上完成了遥操作实验任务以及抓取漂浮卫星的实验。该项目目前仍
在进行中，迄今为止是成功的遥操作空间机器人。NASA 自2000年开始研制机器人宇航员（robonaut），以减少宇航员的舱外活动，并在地面模拟零重力途径进行了大量的实验。Robonaut可以在航天飞机不能到达的地方帮助装配和服务在轨的空间科学卫星，或在航天飞机上长时间处于载荷状态，NASA于2004年开始将机器人宇航员安装在漫游者上进行遥操作的地面试验，2011年在空间站上开始正式使用。
我国863高技术计划中，自动化领域机器人技术主题和航天领域空间机器人专题在21世纪初就将临场感遥操作技术列为关键技术进行研究。清华大学、东南大学、中科院合肥智能所、中科院沈阳自动化所、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等单位先后开展了临场感遥操作机器人技术的研究，在临场感遥操作机器人的传感、控制、虚拟环境建模、力反馈与触觉再现等研究上已处于国际先进水平。
力觉临场感是临场感的主要形式。其中，传感技术、力反馈与触觉再现技术、大时延下的虚拟预测环境建模技术是力觉临场感谣操作机器人的三大关键技术。
1力觉临场感遥操作机器人的传感技术
力觉临场感遥操作机器人的传感技术主要包括两个方面：1）测量操作者运动和姿态的传感技术；2）机器人与环境交互感知的非视觉传感技术。
1．1测量操作者运动的传感技术
人体运动测量装置有头盔显示器（head mounted TV）、外骨架装置（exoskeletal device）、数据手套（data glove）等固定在操作者身体上的测量装置，也有采用机器视觉对人体姿态进行非接触测量的装置。
a）头部运动位置的检测
检测操作者头部运动位置的传感装置通常是利用测向仪和超声波定位等方法来测量操作者头部的运动。代表性装置是头盔显示器，一些头盔显示器还可以测量人眼球的运动。
b）操作者身体运动位置的检测
检测操作者身体运动位置的传感设备包括两类：一类是用于检测操作者躯体运动的数据衣；另一类是用于检测手部运动和位置的外骨架装置或数据手套。目前主要有5种商品化的外骨架装置或数据手套：EXOS's Dexterous Hand Master，VPL's Data Glove，VT's Cyber Glove，Mattel's Power Glove，5DT’s Data Glove。
美国EX0S公司的Dexterous Hand Master是外骨架装置的典型代表，它是固定在操作者肢体上的刚性串联连杆机构，连杆的关节位置与人体关节位置相同，它具有20个关节，每个关节上装有小巧的磁霍尔传感器测量手指转角，角度分辨率达到0．1?。
数据手套一般采用柔性材料制作成手套形状，并在手套上安装柔性角度传感器测量手指的关节角度。VT公司的Cyber Glove具有22个角度传感器，分辨率为0．5?，质量仅84g。它采用了该公司的专利技术———电阻式弯曲传感器，这种传感器非常柔软、细小，对弯曲产生的阻力可以忽略不计。5DT公司和Immersion公司的Data Glove利用光纤型角度传感器测量关节角度。5DT公司的Data Glove具有14个传感器，分辨率为0．1?，质量300g。
1．2机器人与环境交互感知的非视觉传感技术
机器人与环境交互感知的非视觉传感技术主要有力觉传感器和触觉传感器。力觉传感器用于检测遥操作机器人同目标接触时产生的力和力矩，包括腕力传感器、指间力传感器和关节力传感器等。触觉传感器用于检测与目标接触时的压力分布、表面形状、振动、温度等各种刺激。
a）机器人力觉传感器
目前研究主要集中在各种腕力传感器上，其典型结构为十字弹性体梁结构。国内外代表性的产品为美国JR3公司和ATI公司的系列六维力/力矩传感器，以及中科院合肥智能所和东南大学仪器科学系联合研制的SAFMS型机器人六维腕力传感器。
腕力传感器影响人机交互精度的主要问题：惯性力的影响严重、动态频率低、维间干扰较大、体积大。在临场感遥操作机器人中要求力觉传感器体积小、质量轻、精度高、动态性能好，特别是应克服惯性力的干扰。这需要在结构上和测量原理上探索新的方法和手段。
b）机器人触觉传感器
目前研究较多的是光电式、压电式以及半导体电容式阵列触觉传感器。大多数触觉传感器仍长期停留在对法向力的检测上，三维触觉传感器虽取得一定进展，但是其一致性和维间干扰仍难以完全解决。
在交互式遥操作机器人中迫切要求触觉传感器体积小、分辨率高、一致性好、维间干扰小。
2临场感遥操作机器人的力/触觉再现技术
力/触觉再现技术主要包括力反馈技术和触觉再现技术。力反馈装置具有力反馈功能，使操作者能够感受到远地或虚拟物体对操作者的作用力。触觉再现将远距离物体的外形轮廓与触觉特征再现给操作者，使操作者产生实际接触远地或虚拟物体的触觉感觉。
a）力反馈装置
力反馈装置主要有力反馈数据手套、手控器、操纵杆等。
力反馈数据手套如Immersion公司生产的Master-ARM，在关节上增加驱动电动机，获得力反馈作用。美国Rutger大学研制的力反馈数据手套采用气体泵来产生力觉反馈。
手控器是临场感遥操作机器人的力反馈人机感知接口装置，它的作用可以归结为：1）操作者手臂运动的测量，并将对人手的测量结果作为从机械手运动指令。2）对操作者手部产生和从机械手与环境之间作用力一样大小的力。手控器分同构式和异构式两种，异构式手控器是当今遥操作系统中手控器的主流。
美国NASA针对空间机器人遥操作的需要，于1988年研制了著名的Salisbury/JPL手控器，它的特点是6个直
流伺服电动机后置以平衡重力并产生6个自由度力作用（图1）。日本针对空间机器人遥操作研制了6自由度手控器用于ETS-VII上的机器人遥操作，具有较大的工作空间，较好的力反馈，结构简洁。加拿大针对空间舱外大型机械臂的遥操作，于2004年研制了三维力反馈手控器，它具有较大的运动空间，如图2所示。
图3为东南大学于2003年研制的通用型遥操作6自由度力反馈手控器HC01，它具有运动空间大，精度高的特点。
图3东南大学研制的力反馈手控器
b）触觉再现技术
触觉再现是指安装在操作者手上触觉再现设备接受由远地机械手上的触觉传感器输出的机械手与物体相接触的信号，或者是虚拟环境中虚拟手与虚拟对象的接触信号，刺激人体的相应部位，从而再现远地机械手与物体或虚拟环境中的接触力和接触形状。
触觉再现可分为形状改变式和表面刺激式两大类。
形状改变式触觉再现是通过位移变化模拟远地物体表面与机械手的接触状态，使操作者直接感觉到远地物体的存在及其形状，是最能体现触觉特性的方式。形状改变式触觉再现早期是采用气囊、气环制作，如触觉反馈手套Teletact Glove II就是在手指和手掌的一些关键部位上安装了30个气囊，使操作者能够大致感觉到远地物体的接触部位和形状。为了提高触觉显示器的分辨率，Tini Alloy 公司采用形状记忆合金制作了阵列触觉显示器，其空间分辨率为3mm，单点输出力为0．2N。英国Hull大学利用电流变材料研制了高密度触觉显示器，通过电极点阵施加电场使电流变体在要求的部位变硬，从而可在其表面摸出远地物体的形状，达到被动触觉显示的效果，其空间分辨率达2mm，但是这种装置需要施加2000V或更高的工作电压。
表面刺激式触觉再现是通过对操作者皮肤表面或表皮神经施加气流冲击、振动刺激或电刺激，使操作者在相应位置产生接触觉，从而实现触觉再现。振动刺激采用电磁式振动音圈、压电材料或SMA等多种驱动方式，如触觉反馈数据手套Cyber Touch就采用了振动音圈作为触觉显示器件，但是振动音圈尺寸较大难以制作出高密度阵列。TeleSensory公司研制的阵列式振动触觉显示器具有100个刺激点，其空间分辨率为1．9 3．8mm，振动频率为230 Hz。电刺激触觉显示采用表面电极刺激、神经肌肉刺激或静电刺激方式产生触觉感受。美国Louisiana技术大学和Wisconsin大学正在研制硅基底静电触觉显示器，它是在硅片上制作电极阵列，并覆盖聚酰亚胺薄膜作为电绝缘层，当电极上施加200 600V的电压时，对触摸该硅片的手指表皮产生静电吸引力，从而在相应位置感觉到接触。电刺激方法与人类的神经感觉系统密切相关，而人类对于自身的神经系统了解有限，且神经肌肉刺激探针需要刺入人体，使这些电刺激方法的应用受到极大限制。
至今为止，尚未研制出令人满意的触觉再现装置。
3临场感遥操作机器人的虚拟预测环境建模技术
3．1大时延对力觉临场感遥操作机器人的影响及控制策略
时延问题是力觉临场感遥操作机器人系统最主要的问题之一，时延造成了力觉临场感遥操作机器人的不稳定和难以操作。
1988年，Raju首先提出用二端口网络理论来分析力反馈遥操作机器人系统，并指出导致系统不稳定的原因在于时延造成了通信环节的有源性。1992年，Anderson利用散射算子分析法提出了一种无源控制算法来解决传输线的有源性，在小时延下可保证系统的稳定性。1998年，Niemeyer和Slotine对基于波变量的无源控制算法进行改进，提出了基于“波积分”的大时延无源控制算法。1999
年，美国密执根州立大学席宁等针对力觉临场感遥操作机器人的信号传输环节所引起的不确定时延问题，提出了基于事件的控制算法，用于保证随机时延对系统稳定性的影响。2003年，Hirche等通过频域优化技术，提出了阻抗匹配滤波器设计，以保证遥操作系统的无源性和透明性。2008年东南大学李会军、宋爱国提出了基于阻抗在线估计的自适应无源控制算法，可保证较大时延下力觉临场感机器人的稳定性。
虽然针对时延遥操作的控制算法还在不断改进，但是，这些控制算法还不能完全满意地解决遥操作系统中的时延问题，特别是大时延（7s以上）或空间工作环境变化的情况。因此，人们除了继续研究具有最佳操作性能的控制算法外，还寻求其他途径来克服时延对空间遥操作机器人系统性能的影响。
3．2力觉临场感遥操作机器人的虚拟预测环境建模技术研究
建立力觉临场感机器人及其环境的准确的虚拟预测仿真图形，并提供真实的力觉/触觉反馈，将可以使操作者在良好的人机界面条件下进行遥操作，有效解决大时延对力觉临场感机器人的稳定性和可操作性的影响。
虚拟现实技术用于大时延遥操作机器人的一个典型的例子是火星探测机器人。1997年7月，基于虚拟现实技术控制的旅行者号火星探测器在火星上着陆。它的图形界面上提供了大量的操作指令。利用一个简单的轨迹球作为I/O接口设备就能将虚拟的工作现场和虚拟的火星旅行者的模型连接在一起（图4）。操作者的规划可以
通过图形编程的方法实现。如果结果令人满意，则控制代码通过深空网络传输给火星旅行者机器人。
图4基于VR的遥操作系统（左图为实际rover 在火星上的图片，右图为虚拟rover环境）
日本空间局NASDA于2002－2007年在ETS-VII卫星上完成的基于虚拟预测环境的遥操作机器人实验任务，如图5所示，整个系统包括带力反馈的主手，实际从机器人及其作业环境，虚拟从机器人及其虚拟作业环境构成的虚拟预测环境，以及通讯环节。虚拟环境产生预测作用力反馈给操作者。远地反馈回来的真实图像叠加在虚拟图形上，帮助操作者理解时延的情况。
尽管基于VR的遥操作是解决时延问题的有力手段，但仍然存在一些问题，主要有：
1）基于图形图像叠加的增强现实，尽管能在视觉形状、大小、纹理上保证和真实图像一致，但一些深度信息不能完全和真实图像完全匹配；
2）预测模型并不总是准确的，但缺乏足够有效的方法来在线修正模型。
4基于生物电信息的临场感遥操作机器人技术
基于生物电信息的力觉临场感遥操作机器人技术是当前临场感遥操作机器人技术研究的前沿和热点，包括测量人手肌电信号控制机械手运动的技术，测量脑电信号控制机械手运动的技术。
2006年12月17日，国际脑机接口学术会议在英属哥伦比亚的惠斯勒市举行。美国华盛顿大学瑞奥教授展示了他们最新研制成功的基于脑电波的遥操作机器人。演示者戴上脑电信号检测帽，帽子共有32个独立的电极与大脑头皮接触。通过接受人脑思维产生的脑电波，这台机器人可以完成一系列动作指令，包括捡拾物品以及左右移动等。这一技术取得的成功表明，将可以利用脑电波遥操作机器人将可以帮助重症残疾病人实现生活自理。
5东南大学的研究进展
东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所自“七五”以来一直从事机器人传感和控制技术的研究工作，先后完成了国家863高技术自动化领域智能机器
人技术主题项目和国家863高技术航天领域空间机器人专题项目23项，完成国家自然科学基金项目20多项。近10年来主要将力觉临场感遥操作机器人技术应用于空间探索、远程康复医疗和核化探测与应急处理领域。
5．1远程康复医疗机器人
我国是世界上残障者最多的国家，全国残障者总数约6700万。此外，全国60岁以上的老年人口也有较大的增长，
2010年老年人口将超过2亿。中风是目前严重危害中老年人身体健康的主要疾病之一，中风后遗症主要表现为肢体痉挛、僵硬、偏瘫、植物人等。
对中风患者偏瘫部位进行康复训练是十分重要和关键的医疗手段。对于因中风、脊髓损伤和各种事故引起的肢体功能残障的患者来说，及时进行康复训练，就可以有
效恢复神经肌肉的功能，
大大减少造成终身残疾的可能性。肢体康复训练机器人不但将为这些患者带来福音，也
将具有广阔的市场前景。图7为东南大学仪器科学与工程学院研制的网络化远程康复机器人。
5．2小型核化探测与应急处置遥操作机器人
核辐射和生化毒剂因其威胁的隐蔽性、持续性和大范
围杀伤性使得其始终成为各种恐怖袭击的首选手段。一旦受到袭击所引发的核放射次生灾害将会造成巨大的人员伤亡和长达几十年的持续性辐射危害。近10年来，疆独、
藏独等恐怖势力多次威胁要对我国进行包括核生化袭击在内的恐怖袭击，
仅在2008年北京奥运会期间，疆独和图7
网络化的远程康复训练机器人
藏独恐怖组织被挫败的恐怖袭击就有8起。另一方面，我国核电事业也处于快速发展期，目前正在运营的核电站有6座，在建的有12座，筹建中的有25座。2011年3月11日，日本东部海域9级大地震及其引发的海啸对日本福岛核电站造成了严重的破坏，造成继美国三里岛和苏联切尔诺贝利核泄漏事故后全球最严重的核事故，给世界各国核电安全敲响了警钟。
从2004年开始，东南大学和南京军区防化研究所合作将力觉临场感遥操作机器人技术用于核化侦察和应急处理领域，研制成功了小型核化探测与应急处置遥操作机器人，
并装备部队使用（图8）。图8东南大学研制的小型核化探测与应急处置遥操作机器人系列
6结语
临场感遥操作机器人是当前机器人学研究的前沿和
热点。本文对临场感遥操作机器人技术的发展现状与关键技术进行了回顾与总结，并介绍了东南大学仪器科学与工程学院机器人传感与控制研究所近10年来开展临场感遥操作机器人技术研究及应用的情况。
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（下转第22页）
·机械制造与研究·田力军·汽车多轴振动试验台系统集成设计
图7多轴振动试验台系统软件结构
们运行在同一计算机平台上，液压源管理子系统软件运行在可编程控制器（PLC）上，伺服控制子系统、振动控制子系统和液压源管理子系统属于控制系统的控制级，由任务管理子系统进行管理和调度。5结论
汽车多轴振动试验台是一项融合多学科理论与技术的复杂系统。通过多个系统集成的方式可完成该试验台的设计，文章系统论述了所设计的该试验台的基本组成、工作原理，并深入阐述了振动控制策略其及软件系统设计核心。该多轴振动试验台将广泛用于汽车零部件开发研制、日常振动可靠性、耐久性考察等方面。
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收稿日期：
權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權權
2011-07-04
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收稿日期：2012-02-10