Дистанционное управление роботами

Введение

Управление роботами на расстоянии

Телероботика – это область робототехники, занимающаяся управлением полуавтономными роботами на расстоянии, главным образом с использованием телевидения, беспроводных сетей (таких как Wi-Fi, Bluetooth и Deep Space Network) или проводных соединений. Она представляет собой сочетание двух основных направлений: телеуправления и телеприсутствия.

Телеоперация

Телеоперация обозначает управление машиной на расстоянии. Этот термин близок по значению к фразе "дистанционное управление", но чаще встречается в научно-исследовательской, академической и технической среде. Чаще всего телеоперация ассоциируется с робототехникой и мобильными роботами, но может применяться в самых разных ситуациях, когда устройство или машина управляются человеком удалённо. Телеоперация – это стандартный термин, используемый как в исследовательских, так и в технических сообществах для обозначения управления на расстоянии. Это противопоставляется "телеприсутствию", которое относится к подмножеству телероботических систем, оснащённых иммерсивным интерфейсом, благодаря которому оператор ощущает своё присутствие в удалённой среде, проецируя своё присутствие посредством удалённого робота. Одной из первых систем телеприсутствия, позволявшей операторам ощущать себя присутствующими в удалённой среде, используя все основные чувства (зрение, слух и осязание), была система "Виртуальные приспособления", разработанная в Исследовательских лабораториях ВВС США в начале 1990-х годов. Система позволяла операторам удалённо выполнять точные задачи (например, вставлять штифты в отверстия) так, что оператор чувствовал, будто он сам выполняет эту операцию, хотя на самом деле это делал удалённый робот. Телеманипулятор (или телеоператор) – это устройство, которым удалённо управляет человек-оператор. В простых случаях команды оператора напрямую соответствуют действиям управляемого устройства, например, в модели самолёта с радиоуправлением или в привязанном глубоководном аппарате. Если задержки связи делают прямое управление невозможным (например, в случае удалённого планетарного ровера) или необходимо снизить нагрузку на оператора (например, в дистанционно управляемом разведывательном или ударном самолёте), устройство не управляется напрямую, а получает команду следовать по заданному маршруту. По мере повышения сложности устройство может работать частично автономно, например, избегая препятствий, что также часто используется в планетарных марсоходах. Устройства, предназначенные для управления роботом на расстоянии, иногда называют телехерической робототехникой. Два основных компонента телероботики и телеприсутствия – это визуальные и управляющие приложения. Дистанционная камера обеспечивает визуальное представление обзора с робота. Размещение роботизированной камеры в перспективе, обеспечивающей интуитивное управление, – относительно новая техника, которая, хотя и основана на научной фантастике (рассказ Роберта А. Хайнлайна 1942 года "Уолдо"), долгое время не давала результатов, поскольку скорость, разрешение и пропускная способность только недавно стали достаточными для того, чтобы эффективно управлять камерой робота. Использование дисплея, закреплённого на голове, позволяет облегчить управление камерой за счёт отслеживания движений головы, как показано на рисунке ниже. Это работает только в том случае, если пользователь комфортно чувствует себя с задержкой системы, с задержкой реакции на движения и с визуальным представлением. Любые проблемы, такие как недостаточное разрешение, задержка видеоизображения, задержка в механической и компьютерной обработке движения и реакции, а также оптические искажения, вызванные объективом камеры и линзами дисплея, закреплённого на голове, могут вызвать у пользователя "симуляторную болезнь", которая усугубляется отсутствием вестибулярной стимуляции при визуальном представлении движения. Несоответствие движений пользователя, такое как ошибки регистрации, задержка реакции на движение из-за чрезмерной фильтрации, недостаточное разрешение для небольших движений и медленная скорость, могут способствовать возникновению этих проблем. Та же технология может управлять роботом, но тогда проблемы координации глаз и рук становятся ещё более выраженными в системе, а напряжение или разочарование пользователя могут затруднить использование системы. При создании роботов обычно стремятся минимизировать количество степеней свободы, поскольку это упрощает задачу управления. Недавние улучшения в области компьютеров сместили акцент на большее количество степеней свободы, что позволяет создавать роботизированные устройства, которые кажутся более разумными и более человечными в своих движениях. Это также позволяет осуществлять более прямую телеоперацию, поскольку пользователь может управлять роботом, имитируя свои собственные движения.

Teleoperation indicates operation of a machine at a distance. It is similar in meaning to the phrase "remote control" but is usually encountered in research, academic and technical environments. It is most commonly associated with robotics and mobile robots but can be applied to a whole range of circumstances in which a device or machine is operated by a person from a distance. Teleoperation is the most standard term, used both in research and technical communities, for referring to operation at a distance. This is opposed to "telepresence", which refers to the subset of telerobotic systems configured with an immersive interface such that the operator feels present in the remote environment, projecting their presence through the remote robot. One of the first telepresence systems that enabled operators to feel present in a remote environment through all of the primary senses (sight, sound, and touch) was the Virtual Fixtures system developed at US Air Force Research Laboratories in the early 1990s. The system enabled operators to perform dexterous tasks (inserting pegs into holes) remotely such that the operator would feel as if he or she was inserting the pegs when in fact it was a robot remotely performing the task. A telemanipulator (or teleoperator) is a device that is controlled remotely by a human operator. In simple cases the controlling operator's command actions correspond directly to actions in the device controlled, as for example in a radio controlled model aircraft or a tethered deep submergence vehicle. Where communications delays make direct control impractical (such as a remote planetary rover), or it is desired to reduce operator workload (as in a remotely controlled spy or attack aircraft), the device will not be controlled directly, instead being commanded to follow a specified path. At increasing levels of sophistication the device may operate somewhat independently in matters such as obstacle avoidance, also commonly employed in planetary rovers. Devices designed to allow the operator to control a robot at a distance are sometimes called telecheric robotics. Two major components of telerobotics and telepresence are the visual and control applications. A remote camera provides a visual representation of the view from the robot. Placing the robotic camera in a perspective that allows intuitive control is a recent technique that although based in Science Fiction (Robert A. Heinlein's 1942 short story "Waldo") has not been fruitful as the speed, resolution and bandwidth have only recently been adequate to the task of being able to control the robot camera in a meaningful way. Using a head mounted display, the control of the camera can be facilitated by tracking the head as shown in the figure below. This only works if the user feels comfortable with the latency of the system, the lag in the response to movements, the visual representation. Any issues such as, inadequate resolution, latency of the video image, lag in the mechanical and computer processing of the movement and response, and optical distortion due to camera lens and head mounted display lenses, can cause the user 'simulator sickness' that is exacerbated by the lack of vestibular stimulation with visual representation of motion. Mismatch between the users motions such as registration errors, lag in movement response due to overfiltering, inadequate resolution for small movements, and slow speed can contribute to these problems. The same technology can control the robot, but then the eye–hand coordination issues become even more pervasive through the system, and user tension or frustration can make the system difficult to use. The tendency to build robots has been to minimize the degrees of freedom because that reduces the control problems. Recent improvements in computers has shifted the emphasis to more degrees of freedom, allowing robotic devices that seem more intelligent and more human in their motions. This also allows more direct teleoperation as the user can control the robot with their own motions.

Интерфейсы

Интерфейс телеробота может быть таким же простым, как обычный MMK (монитор, мышь, клавиатура). Хотя это не обеспечивает эффект погружения, это недорого. Телероботика, управляемая через интернет-соединение, часто использует такие интерфейсы. Ценным дополнением к MMK является джойстик, который обеспечивает более интуитивную схему навигации для плоскостного перемещения робота. В специализированных системах телеприсутствия используются дисплеи с одним или двумя глазами и эргономичный интерфейс с джойстиком, кнопками, слайдерами и триггерами. Другие интерфейсы объединяют полностью иммерсивные системы виртуальной реальности и видео в реальном времени вместо компьютерной графики. Еще один пример – использование всенаправленной беговой дорожки с иммерсивной системой отображения, позволяющей управлять роботом посредством ходьбы или бега оператора. Дополнительные модификации могут включать комбинированное отображение данных, таких как инфракрасная термография, оценка угроз в реальном времени или схемы устройств.