روبوت عامل يعمل بخط توزيع حي عن بعد يعتمد على التحكم المشترك بين الإنسان والروبوت

ملخص

تم تطوير روبوت يعمل بخط توزيع حي يعمل عن بعد يعتمد على التحكم المشترك بين الإنسان والروبوت. أظهرت التجارب المخبرية أن الوزن المشترك في التحكم حسن كفاءة المسار مع تقليل وقت إكمال المهمة والحركات الفرعية. خللت خوارزمية كشف سلوك التشغيل عن بعد المفاجئة من الحركات المفاجئة للمشغل وتم التحقق منها بنجاح في عمليات التنصت الميداني.

الملخص

يعتمد العمل التقليدي على خطوط الكهرباء الحية على التوزيع على العمل اليدوي، الذي يتميز بالمخاطر العالية، وكثافة العمل العالية، وتكاليف التدريب العالية؛ لذا، فإن تطوير روبوتات التوزيع الحية العاملة هو مسار أساسي لاستبدال العمليات اليدوية. ومع ذلك، فإن بيئة العمل غير منظمة وديناميكية للغاية، مع تحديات مثل الإضاءة الخارجية المعقدة وظروف الرياح غير المتوقعة. تستخدم الروبوتات الحالية بشكل أساسي إما التشغيل عن بعد بنظام السيد-عبد أو أوضاع السيطرة الذاتية بالكامل، التي تفرض أعباء ذهنية ثقيلة على المشغلين، وتكون عرضة بشدة لسوء التشغيل، وتظهر قدرة محدودة على التكيف البيئي.

لمعالجة هذه القضايا، تقدم هذه الدراسة روبوت يعمل بخط حي يعمل عن بعد يعتمد على التحكم المشترك بين الإنسان والروبوت. يتم الحصول على المسار النهائي للمعالج من خلال مزيج موزون خطيا من مسارين مرجعيين يتم توفيرهما بشكل منفصل من قبل المشغل البشري ووحدة التخطيط التلقائي للروبوت. يقلل هذا النهج من اعتماد الروبوت على المشغل، ويخفف العبء الذهني عن المشغل، ويحسن الكفاءة، ويمنع العمليات الخاطئة المفاجئة من قبل المشغل البشري. وأخيرا، تقدم الورقة تصميم النظام وتتحقق من فعاليته من خلال تطبيقه في عمليات التنصت المباشر على الخط الواقعي.

المقدمة

يعد العمل على الخط الحي طريقة حيوية لفحص واختبار وصيانة معدات الجهد العالي. حجم العمل على الخط المباشر في الصين ينمو بسرعة. من منظور الطلب الصناعي، فإن حل مشكلة سلامة الأفراد في العمل على الخط الحي هو مهمة طويلة الأمد وشاقة. لا يزال الابتكار والتحسين مطلوبين في الأساليب والتقنيات والمعدات والمفاهيم.

التوزيع يعد العمل بالخط الحي من أكثر أنواع العمل على الخط الحي، وهو مخصص لتوزيع الطاقة وصيانة الخط الحي. نظرا لبيئة الإضاءة المعقدة، وتوزيع المعدات الكثيف، والمسافات الصغيرة من طور إلى طور ومن الطور إلى الأرض في خطوط التوزيع، اعتمدت هذه العمليات إلى حد كبير على الطرق اليدوية التقليدية. ومع ذلك، يواجه هذا النهج التقليدي مشاكل مثل المخاطر العالية، وشدة العمل العالية، وتكاليف التدريب^{المرتفعة.} 1. لذلك، أصبح تطوير الروبوتات ذات القدرات التشغيلية الحية لتحل محل العمل اليدوي اتجاها لا مفر منه لتشغيل وصيانة شبكة التوزيع المستقبلية.

منذ الثمانينيات، أجرت دول مثل اليابان والولايات المتحدة أبحاثا وتجارب في هذا المجال (كما هو موضح في الشكل 1). كانت أقدم الأنظمة روبوتات تتبع السيد-عبد تعمل عن بعد. على سبيل المثال، قام روبوت العمل الحي² في المرحلة الثانية من اليابان بتركيب معالج مساعد بثلاث درجات حرية (DOF) على المنصة، بالإضافة إلى معالج كهربائي مزدوج DOF. كان المشغل البشري يتحكم بها عبر قضيب تشغيل عن قرب.

استخدم نموذج TOMCAT³ الأمريكي جهاز تحكم هيدروليكي يتحكم فيه مشغل بشري داخل دلو يعمل. وبالمثل، اعتمدت شبكة شاندونغ^{للطاقة 4} في الصين مناورات هيدروليكية يتم التحكم بها بواسطة مشغلين واقفين في دلو عمل. علاوة على ذلك، لزيادة المسافة المسموح بها بين الطرف الرئيسي والتابع، استخدم جهاز ROBTET ^5,6 الإسباني كابلات ألياف بصرية للاتصال عن بعد، مما مكن المشغلين من تنفيذ التشغيل عن بعد من الأرض. يمكن تلخيص أوضاع التشغيل عن بعد للروبوتات كوضع تتبع رئيسي-عبد. يعانون من نقص في الذكاء الذاتي، مما يتطلب من الأفراد مراقبة البيئة والسيطرة على الروبوت عن قرب، ويحملون عبئا ذهنيا كبيرا، مما يفشلون في استبدال البشر في البيئات عالية الجهد والخطرة.

لمعالجة نقص الذكاء الروبوتي، هناك حاجة إلى أبحاث في تقنيات ذكية مثل رؤية الحاسوب، وتخطيط المسارات، والتفاعل عن بعد بين الإنسان والروبوت لتعزيز قدرات الروبوت الذاتية.

في العمل الحي على الخط التوزيعي، تمثل مهمة التنصت حوالي 20٪ ⁷ من إجمالي عبء العمل (أسلاك التوزيع موضحة في الشكل 2). لذلك، فإن استخدام حساسات الرؤية لتحديد وتحديد موقع السلك والمنطقة التي تم إزالتها، وهي منطقة العزل التي أزيلت فيها، أمر بالغ الأهمية. في عام 2020، طورت State Grid Ruijia⁸ روبوت توزيع يعمل بخط حي قادر على التفاعل عن بعد، حيث يدمج معلومات LiDAR وكاميرا النظارين للتعرف على الأهداف وتحديد موقعها. بالإضافة إلى ذلك، تستخدم خوارزميات تجمع بين العمليات المورفولوجية وتحويل هوف لتسهيل استخراج خطوط الطاقة ^9,10. يستخدم تحويل هوف لاكتشاف خطوط الطاقة، يليه خوارزميات الرؤية المجسمة التي تحول بيانات البكسل ثنائية الأبعاد المكتشفة إلى إحداثيات مكانية ثلاثية الأبعاد¹¹. اقترح معهد أبحاث الطاقة الكهربائية في هوبي¹² مرشحا يعتمد على اندماج خريطة اللون والعمق. تقوم هذه الطريقة بتصفية الخلفيات المعقدة المحيطة بخطوط الكهرباء، ثم استخراج خطوط خطوط الكهرباء الواضحة من خلال تحليل فروق قيم البكسل في الجوار. بالإضافة إلى ذلك، اقترحت جامعة العلوم والتكنولوجيا^{الصينية 13} خوارزمية تعرف على خطوط الكهرباء القائمة على التعلم العميق، تحقق التعرف السريع وتحديد المواقع لعدة خطوط كهرباء.

على الرغم من التطور السريع لخوارزميات رؤية الحاسوب، لا تزال العمليات الخارجية تحديا. غالبا ما تؤدي ظروف الإضاءة المعقدة والأسطح العاكسة للأسلاك إلى فقدان معلومات العمق، مما يؤدي إلى معدلات تعرف منخفضة وأخطاء كبيرة في تحديد المواقع للطرق التي تعتمد بشكل كبير على بيانات العمق¹³. وفي الوقت نفسه، وبسبب وجود تشوهات غير منتظمة مختلفة في أسلاك التوزيع، لم تعد سلسلة من طرق الكشف المستقيمة قابلة للتطبيق، كما هو موضح في الشكل 3. علاوة على ذلك، تؤدي التغيرات في اتجاه الرياح عند الارتفاعات المرتفعة إلى حركة رأسية للخطوط، مما يؤدي إلى أخطاء على مستوى السنتيمتر في نتائج الخوارزميات الحالية خارج الخط.

في مثل هذه البيئات شديدة الخطورة وغير المنظمة والديناميكية، والتي يمكن تسميتها بيئات العمليات الخاصة، تكون رؤية الروبوت وقدراته الديناميكية على اتخاذ القرار مقيدة، مما يصعب إتمام المهام المعقدة بشكل مستقل.

لذلك، يبقى من الضروري إدخال قدرات اتخاذ القرار الذكية البشرية ودمجها مع التحكم الحركي عالي الدقة في الروبوت. وفرت تقنيات التشغيل عن بعد المبكرة المذكورة أعلاه قناة للتدخل البشري. من خلال دمج هذه التقنيات مع تقنيات التفاعل عن بعد والتشغيل عن بعد المتطورة بسرعة، ظهرت مجموعة من الأبحاث حول الروبوتات الحية التي تعمل عن بعد والتوزيع الذكي.

نفذت جامعة العلوم والتكنولوجيا^{الصينية 14} رسم خرائط تدريجي للمواقع بين جانبي الماستر والعبد واستخدمت طريقة مجال الجهد الاصطناعي (APF) لتجنب عقبات الروبوتات. لاحقا، تم تنفيذ التشغيل عن بعد القائم على الدخول في روبوتات التوزيع الحية العاملة. استنادا إلى تتبع السيد-العبد، يسمح هذا النهج للروبوت بتعديل وضعية وضعه ديناميكيا استجابة لتغيرات قوى الاتصال البيئية. قامت جامعة العلوم الإلكترونية والتكنولوجيا في الصين¹⁵ بتطبيق قوى تقييد افتراضية على الجانب الرئيسي لتعزيز إحساس المشغل بالحضور عن بعد. بالإضافة إلى ذلك، أنشأت جامعة مانيتوبا¹⁶ سلسلة من التركيبات الافتراضية أثناء عملية التشغيل عن بعد لتعزيز التجربة الغامرة للإدراك اللمسي للمشغل الداخلي.

ومع ذلك، لا تزال الروبوتات التي تعمل عن بعد المذكورة أعلاه تواجه عدة تحديات. مهمة الجانب التابع هي تتبع مسار حركة الماستر، مما يجعله يعتمد بشكل كبير على المسار المرجعي الذي يولده المشغل البشري. بسبب متطلبات مثل قصر أوقات العمل وتجنب العقبات، يفرض ذلك عبئا ذهنيا كبيرا على المشغل الرئيسي، وهو أمر يضر بالمهام التشغيلية طويلة الأمد والمعقدة. قد يرتكب المشغل أفعالا غير صحيحة أو غير صحيحة، مما يسبب حركة مفاجئة في المسار الفعلي للمتحكم بنفسه. قد يؤدي ذلك إلى مشاكل أمان مثل التصادم مع البيئة أو حدوث دوائر قصيرة من طور إلى طور.

التحكم المشترك هو طريقة تجمع بفعالية^{بين قدرات} اتخاذ القرار بين الإنسان والروبوت. بشكل عام، يتطلب من كل من الإنسان والروبوت توليد المسارات أو نقاط المسار المطلوبة في نفس الوقت، ثم يحسب مسارا مشتركا جديدا من خلال تركيبة خطية مرزونة. تمكن هذه الطريقة النظام من تعديل تفضيل المسار المشترك من خلال تعديل أوزان اتخاذ القرار للإنسان والروبوت.

لذلك، تصمم هذه الورقة روبوت تشغيل خط حي يعمل عن بعد يعتمد على التحكم المشترك بين الإنسان والروبوت. المساهمات الرئيسية هي كما يلي: أولا، لمعالجة مشكلة التردد المفرط لإدخال مسار المرجع من قبل المشغل البشري أثناء التشغيل عن بعد، يتم دراسة طريقة تحكم مشتركة بين الإنسان والروبوت. من خلال تخصيص أوزان التحكم للمشغل البشري والروبوت وتنفيذ تركيبة خطية موزونة على مسارات مرجعيتهم، يقلل النظام من اعتماد المسار المرجعي على المشغل البشري، مما يخفف عبء المشغل. بالإضافة إلى ذلك، يتم التحقق من تأثير أوزان المشغل البشري المختلفة من خلال تجارب ميدانية لعمليات التنصت السلكي على التوزيع. ثانيا، لمعالجة السلوكيات الخطرة في المسار الرئيسي، تم تصميم طريقة كشف سلوك التشغيل المفاجئ لضمان سلاسة وسلامة مسار المعالج الفعلي. ثالثا، تجرى تجارب فيزيائية في بيئة تشغيل خاصة (العمل على الخط الحي) للتحقق من فعالية خوارزمية التحكم المشترك ونظام التشغيل عن بعد.

يعرض بقية هذه المقالة أولا طريقة التحكم المشتركة للروبوت الذي يتم تشغيله عن بعد، ثم يقدم عتاد النظام وإعداده، وأخيرا يتحقق من صحة النهج من خلال تجارب مخبرية ونشر ميداني على شبكة توزيع حية بجهد 10 كيلوفولت.

البروتوكول

تم إجراء جميع التجارب التي شملت المشغلين وفقا لإرشادات السلامة. أجريت تجارب التشغيل عن بعد بواسطة ثلاثة مشغلين مدربين (جميعهم يميلون إلى اليد اليمنى، مع ساعة تدريب لا تقل عن ساعة) وهم أعضاء في فريق البحث. لم يتم تجنيد أي مشاركين بشريين خارجيين، ولم تتطلب هذه الدراسة مراجعة أخلاقيات مؤسسية. تم إبلاغ المتطوعين بالإجراءات التجريبية، ولم يتم جمع أي بيانات شخصية أو حساسة خلال الدراسة.

إطار التحكم المشترك

في سيناريوهات العمل على الخطوط الحية، تخلق عوامل مثل الانحناء غير المنتظم لخطوط الكهرباء، وفقدان معلومات العمق الناتجة عن الإضاءة الخارجية المعقدة، والحركة العشوائية لخطوط الكهرباء بيئة غير منظمة وديناميكية للغاية. تجعل هذه العوامل من الصعب على الروبوت التعرف بدقة على خطوط الكهرباء وتحديد موقعها داخل البيئة. وبالتالي، فإن الاعتماد الكامل على تشغيل الروبوتات الذاتية سيؤدي إلى فشل المهمة.

لمعالجة محدودية التكيف في عمليات الروبوتات المستقلة بالكامل، يتدخل المشغلون البشريون في عملية اتخاذ القرار للروبوت عبر التشغيل عن بعد، مستفيدين من الخبرة البشرية لمساعدة الروبوت على التكيف مع البيئة. علاوة على ذلك، لمعالجة مشكلة التردد المفرط لإدخال مسار المرجع من قبل المشغل البشري أثناء التشغيل عن بعد، تدرس طريقة تحكم مشتركة بين الإنسان والروبوت. تقلل هذه الطريقة من اعتماد المسار الفعلي على المشغل البشري، مما يخفف العبء الذهني للمشغل ويحقق مزيجا فعالا من قدرات اتخاذ القرار الذكية البشرية وقدرات التحكم عالية الدقة للروبوت.

هيكل روبوت العمل الخطي الحي الموزع عن بعد بناء على التحكم المشترك المقترح في هذه الورقة موضح في الشكل 4. حيث x_h هي نقطة المسار التي يخرجها جهاز التشغيل عن بعد، وr_h هي نقطة المسار المرجعية التي يوفرها المشغل البشري (مبرمجة إلى الفضاء الديكارتي للمعدل)، وr_r هي نقطة المسار المرجعي التي يخطط لها الروبوت بشكل مستقل، وتؤدي دورا مساعدا. r هو نقطة المسار المرجعية المتكاملة المرسلة إلى جهاز التحكم التابع (والذي يشار إليه بالمسار المشترك في النص التالي)، f_o هو البيانات الخام التي يجمعها حساس القوة في نهاية المعالج، f_e هو قوة التلامس بين مجموعة الأدوات في نهاية المتحكم والبيئة بعد تعويض الجاذبية، وx هو الوضع الحالي للمتعامل.

روبوت العمل الحي الذي يعمل عن بعد مقسم إلى جزأين: الجانب الرئيسي والجانب التابع. يقع الجانب الرئيسي على الأرض، حيث يتحكم المشغل البشري في حركة جهاز التشغيل عن بعد. من خلال استقبال ردود الفعل القوية من الجهاز الذي يعرض إلى يد المشغل، والمعلومات التي يردها نظام الرؤية، يحقق المشغل تشغيلا غامرا. الجانب العبد هو الروبوت الموجود على ارتفاع مرتفع. بعد استلام الوضعية x_h من الجانب الرئيسي، يقوم الروبوت بإجراء رسم الخرائط المكانية للحصول على r_h، ويعيد تغذية البيانات البصرية واللمسية المجمعة إلى الجانب الرئيسي.

نظرا لعدم محاذاة الإدراك بين الروبوت والمشغل فيما يتعلق بقوى التلامس والأهداف والعقبات في البيئة الفعلية، يجب على المشغل الحفاظ على تركيز شديد لتقليل مخاطر _rh. لتقليل اعتماد r على r_h وتخفيف العبء الذهني عن المشغل خلال العمليات طويلة الأمد، يحتاج الروبوت إلى تخطيط مسار مساعد r r بشكل مستقل يكون تقريبا أقصر مسار وآمن بناء على معلومات الإدراك التي تحتوي على أخطاء واقعية. يتم بعد ذلك وزن خطي هذا r r ب _h للحصول على r، والذي يوجه إلى المتحكم كوضعية الهدف.

رسم الخرائط المكانية للحركة

تم استخدام الطريقة التزايدية لحساب زيادة المسار Δx_h التي يعطيها المشغل البشري:

Δx_h = x_h - x^′_h (1)
حيث x^′_h هي الوضعية عند نقطة البداية للعملية عن بعد. بالنسبة للروبوتات التي تعمل على الخط الحي حيث تختلف فضاءات الحركة في الجانب الرئيسي والجانب التابع بشكل كبير، يسمح التعيين التدريجي للمشغل باختيار وضعية مناسبة بشكل عشوائي وضبطها كوضعية بدء التشغيل عن بعد.

ثم تم تعيين زيادة المسار، Δx_h إلى الفضاء الديكارتي لروبوت الجانب التابع للحصول أخيرا على r_h. التعبير الرياضي لهذا التحويل هو كما يلي:

Δr_h = Δx_h * k، r_h = x^′ + Δr_h       (2)
حيث k هو معامل التعيين الخطي و x' هو وضعية المعالج عند نقطة بداية التشغيل عن بعد.

تخطيط المسار الذاتي
تستخدم عملية تخطيط المسار الذاتي الاستيفاء الخطي لحساب أقصر مسار r r من الوضعية الحالية إلى وضعية الهدف P. عملية الحساب كالتالي:

(3)

حيث P هي نقطة الهدف، يتم حسابها بواسطة نظام الرؤية، الذي يشمل كاميرا ثنائية العين وجهاز LiDAR ليزر ستيريو. يمكن إجراء الحساب عن طريق اختيار النقاط باستخدام الفأرة وتحويل الإحداثيات باستخدام مصفوفة معايرة اليد والعين. N هو عدد نقاط الاستيفاء، و i هو رقم التسلسل لنقطة الاستيفاء. يجدر بالذكر أنه في ظروف إضاءة معقدة، تحتوي P المحسوبة بواسطة نظام الرؤية على أخطاء، مما يمنع r من إكمال المهمة بشكل مستقل.

طريقة التحكم المشتركة

ولدمج قدرة r_h على التكيف مع البيئة وكفاءة rr، من الضروري تصميم وحدة تحكم مشتركة تدمج مسارين. تستخدم وحدة التحكم المشتركة أوزان تحكيم المعلمات الثابتة α، وعملية التنفيذ كما يلي:

r = (1 - α) * r_r + α * r_h (4)

طريقة كشف سلوك التشغيل المفاجئ

خلال عملية التشغيل عن بعد، قد يحدث سلوك خاطئ من قبل المشغل، مما يؤدي إلى تغييرات مفاجئة في المسار، وقد يؤدي حتى إلى تصادم مع البيئة. لضمان حركة الآمن والسلسة للجهاز على الجانب التابع، من الضروري اكتشاف والتعامل مع هذا السلوك المفرط للتشغيل عن بعد على الجانب الرئيسي. يظهر تدفق خوارزمية التحكم المشتركة، بما في ذلك اكتشاف السلوك المفاجئ، في الشكل 5.

بناء نظام التشغيل عن بعد

تتميز بيئة العمل المباشرة بأنها غير منظمة وديناميكية للغاية. وبالتالي، لا يمكن للروبوتات الاعتماد فقط على قدراتها الذاتية في الإدراك واتخاذ القرار لإنجاز المهام؛ يجب أن يتم تعزيزها بذكاء بشري. تقدم الآلية عن بعد تقنية فعالة لدمج التدخل البشري في عملية تخطيط مسار الروبوت. في مثل هذا النظام، يتضمن الجانب الرئيسي مشغلا يتحكم في جهاز تشغيل عن بعد على الأرض، بينما يتكون الجانب التابع على الارتفاع من عدة أنظمة فرعية.

توضح هذه الدراسة تطوير نظام روبوتي للتشغيل عن بعد مصمم خصيصا لتشغيل شبكات التوزيع، بهدف أداء مهام التنصت على الخط الحي.

تقديم نظام الروبوت الذي يعمل عن بعد

يشمل نظام التشغيل عن بعد نظام الإدراك، ونظام التحكم، ونظام المعالج، ونظام الأدوات، ونظام حامل العزل، وأجهزة التفاعل بين الإنسان والروبوت في الجانب الرئيسي. الاستخدام التفصيلي لكل نظام فرعي يحمله الروبوت في النظام موضح في الجدول 1، ونظام الأجهزة موضح في الشكل 6.

نظام الإدراك: النظام الفرعي مسؤول عن توفير صور RGB ثنائية الأبعاد ومعلومات عمق مكانية لتوجيه حركة الروبوت وضمان السلامة التشغيلية. لتحقيق ذلك، تم تزويده بجهاز ليدار ليزري للنمذجة البيئية واسعة النطاق على مسافات طويلة؛ كاميرا ثنائية العين للتعرف على الأهداف بدقة عالية وتحديد موقعها على مسافات قريبة؛ كاميرا مراقبة بتقنية الإمالة والتقريب (PTZ) لتوفير رؤية تشغيلية وإعادتها إلى المشغل طوال العملية. علاوة على ذلك، يتم دمج حساس القوة لرؤية القوى الخارجية وتوفير تغذية الفعل للقوة للمشغل البشري، مما يساعد في منع إيقاف النظام الناتج عن قوى التلامس المفرطة بين طرف الروبوت والبيئة.

نظام المعالج: باعتباره المنفذ الأساسي للمهام، يتكون هذا النظام الفرعي من معالجين مرتبين في تكوين ذراعين متجانس.

النظام الفرعي للتحكم: باعتباره النظام الفرعي الأساسي للروبوت العامل الحي، يعمل كمركز حسابي وتحكم وإمداد الطاقة في المنصة، مسؤولا عن إرسال الأوامر التشغيلية إلى جميع الأنظمة الفرعية الأخرى. لتحقيق عزل وعزل أمان من جانب الأرض، تستخدم وحدة الطاقة مصدر طاقة مستقل على المنصة المرتفعة. يستخدم مصدر تيار مستمر بجهد 48 فولت لكل من التحكم في الطاقة والقيادة، مما يقلل من خسائر الانعكاس وبالتالي يقلل من حجم ووزن نظام الطاقة.

نظام المؤثر النهائي: يتم تركيب مؤثرات نهائية متخصصة (أدوات) على طرف المعالج لتنفيذ عمليات محددة. تم تطوير سلسلة من الأدوات المتخصصة ذات واجهات قياسية لمهام مختلفة. لعمليات شبكة التوزيع، تشمل هذه الأدوات أداة إزالة وأداة تجعيد (كما هو موضح في الشكل 7)، حيث تستخدم أداة الإزالة ثلاثة مولدات ليزر بقوة 80 واط وطول موجة 450 نانومتر بحجم نقطة بؤرية 130 × 180 ميكرومتر، يتم تعديلها عبر 5 فولت PWM. متوسط وقت التشغيل لإزالة جزء بقطر 120 مم على كابل توزيع بقطر 18–24 مم هو حوالي دقيقتين عند القدرة الكاملة المصنفة وتحت ظروف درجة الحرارة المحيطة. أداة التجعيد مسؤولة عن تثبيت سلك موصل الصنبور بأمان على سلك الطاقة الرئيسي بواسطة مشبك، مما يؤسس الاستمرارية الكهربائية.

نظام الحامل المعزول: يستخدم هذا النظام الفرعي لنقل الروبوت إلى موقع العمل المرتفع. عادة ما يتكون من منصة عمل جوية معزولة من نوع الزواحف أو العجلات (وتعرف أيضا باسم شاحنة الدلو). لتمكين التحكم المتكامل في النظام الآلي بالكامل، يحتوي على قدرات تحكم رقمية (كما هو موضح في الشكل 8).

نظام التفاعل بين الإنسان والروبوت في الجانب الرئيسي: أثناء التشغيل، يصدر المشغل البشري أوامر لنظام الروبوت عبر جهاز لوحي محمول، وجهاز كمبيوتر، ومقبض تشغيل عن بعد، وأجهزة حوسبة أخرى. تعيد هذه الأجهزة إنتاج بيانات المستشعر، والتي تشمل الرؤية وقوة التلامس التي تتلقى من الروبوت، مما يسمح للمشغل بمراقبة حالة الروبوت في الوقت الحقيقي، كما ترسم حركة يد المشغل إلى نهاية جهاز التشغيل. روابط التواصل بين الأنظمة الفرعية موضحة في الشكل 9.

أجهزة التشغيل عن بعد

في هذا النظام، يكون الجهاز الرئيسي والتابع للتشغيل عن بعد هو الجهاز اللمسي والمعالج على التوالي. سيتم إدخال معلمات دينافيت-هارتنبرغ (DH) لكل منها.

كما هو موضح في الأشكال 10A,B، هذه هي إطارات إحداثيات الرابط للمتحكم (المعالج). بالنسبة للستة مفاصل دوران في المعالج (L₁،_{L 2}،_{L 3}،_{L 4}،_{L 5}، L₆)، يتم إنشاء إطار إحداثي لكل مفصل وفقا لقاعدة اليد اليمنى ومبادئ اتفاقية دينافيت-هارتنبرغ (DH).

في الشكل 10B، تمثل x₁∼x₆، y₁∼y6، z₁∼z₆، محاور x,y,z لكل إطار إحداثي في كل مفصل على التوالي. استنادا إلى هذه الإطارات الوصلة المعتمدة، يمكن إنشاء نموذج الحركية الأمامية للمناول. يستخدم ترميز DH أربعة معلمات: _{a i}، α_i، d_i و θ_i.

تعرف هذه المعايير كما يلي: _a: يمثل المسافة من تحريك محور z للقضيب i على محوره x إلى محور z للقضيب (i+1)؛ α_i: يشير إلى زاوية تدوير محور z للقضيب i حول محوره x إلى محور z للقضيب (i+1)؛ d_i: تمثل المسافة من تحريك محور x للقضيب i إلى محوره x على محور z للقضيب i؛  θ_i: تشير إلى زاوية تدوير المحور x للقضيب i إلى محوره x حول محور z للقضيب i.

يتم إنشاء النموذج الحركي باستخدام طريقة معلمات DH، وتعرض معلمات DH للمعالج في الجدول 2 أدناه.

مقبض التشغيل عن بعد هو الجهاز اللمسي المستخدم كجهاز التحكم الرئيسي، حيث يتم تكوين مفاصله في سلسلة تسلسلية. تظهر إطارات الإحداثيات المشتركة في الشكل 10C؛ طريقة النمذجة هي نفسها طريقة جهاز التحكم التابع (Slave Manipulator).

تصميم التجارب

للتحقق الكمي من خوارزمية التحكم المشترك المقترحة قبل النشر الميداني، أجرينا تجربتين مخبريتين على منصة تشغيل عن بعد بمعالج 6-DOF تعمل على تردد 50 هرتز، وقد تحقق ذلك بواسطة سكريبت بايثون يعمل على جهاز كمبيوتر قياسي. في كل دورة تحكم، يقرأ السكربت وضعية الجانب الرئيسي، ويحسب المسار المشترك، ويرسل الوضعية الديكارتية المستهدفة إلى المعالج. يتم فرض فترة زمنية ثابتة تبلغ 20 مللي ثانية بين الأوامر المتتالية، مما ينتج معدل تحديث يبلغ 50 هرتز، وهو نفس معدل التحديث في منصة المختبر. تشترك منصة المختبر في نفس بنية التحكم وخوارزمية التحكم المشتركة (المعادلة 4) مع روبوت العمل الحي الموصوف في بناء نظام التشغيل عن بعد، مع اختلاف فقط في حركية المعالج ومقياس مساحة العمل. يتم استخدام مهمة نقر محاكاة: في وجود عوائق (زجاجة ماء وعمود ألمنيوم)، يتحكم المشغل في مؤثر الطرف من نقطة البداية A إلى موقع الهدف B، مقلدا عملية التنصت السلكي الموضحة في الشكل 11. لضمان تكرار التجارب المختبرية بدقة، تم وضع العقبات الفيزيائية ونقطة النهاية المستهدفة بدقة داخل نظام الإحداثيات الأساسي لجهاز التحكم بالعبيد. تم تركيب عقبين رئيسيين في مساحة العمل: زجاجة ماء بلاستيكية (أبعاد القاعدة: 8 سم × 8 سم، ارتفاع: 25 سم) موضوعة مع مركزها السفلي عند الإحداثيات (X = 55 سم، Y = 5 سم)، وملف ألمنيوم (أبعاد القاعدة: 2 سم × 2 سم، ارتفاع > 50 سم) موضوعة مع مركزها السفلي عند الإحداثيات (X = 35 سم، Y = -30 سم). تم ضبط نقطة النهاية المستهدفة لمهمة التشغيل عن بعد عند الإحداثيات (X = 50 سم، Y = -17 سم، Z = 26 سم). بعد ذلك، يتم نشر الخوارزمية المعتمدة على روبوت الخط الحي العامل للعرض الميداني.

تجرى العملية التجريبية من خلال سير عمل مستمر ومتكامل. أولا، أثناء تهيئة النظام، يتم تشغيل كل من المعالجين التابعين والرئيسيين، ويتم تشغيل برنامج التحكم للتحقق من استقرار الاتصال الثنائي عند تردد 50 هرتز. لمنع القفزات المفاجئة في التحكم عند بداية التشغيل عن بعد، يتم إجراء مرحلة محاذاة رئيسية-تابعة قبل التشغيل النشط عن بعد. في هذه المرحلة، يوجه المشغل يدويا المتحكم الرئيسي حتى يكون موقع المؤثر النهائي الديكارتزي (المحدد في الإطار الأساسي للماستر) ضمن 30 مم من موقع المؤثر الديكارتي الحالي (المحدد في إطار قاعدة التابع). يتم الحصول على هذه المواقع الديكارتية مباشرة من تغذية راجعة التحكم المدمجة لكل معالج، بينما تراقب برمجيات التحكم المسافة الإقليدية في الوقت الحقيقي. بمجرد نجاح هذا المحاذاة، يتم تسجيل موقع العبد الحالي كموقع البداية، ويرمز له بالموقع A. بعد ذلك، يتم تحديد الهدف من خلال توجيه المشغل يدويا لمؤثر نهاية التابع إلى موقع الهدف المطلوب لتسجيل إحداثيات ديكارتية معينة كموقع الهدف B. ثم يولد المخطط المستقل مسارا مرجعيا خطيا يمتد من موقع البداية إلى الموقع B. بعد ذلك، يبدأ المشغل مهمة التشغيل عن بعد للتحكم المشترك. أثناء التنفيذ النشط، يعمل النظام بدورة تحكم مدتها 20 مللي ثانية، يقرأ باستمرار الوضع الرئيسي كمدخل، ويجري فحصا إلكترونيا لاكتشاف أي سلوكيات مفاجئة للمشغل المستخدم، ويحسب مسار التحكم المشترك كمخرج (كما هو موضح في المعادلة 4)، ويصدر أوامر مقابلة إلى معالج التابع. كإجراء أمان، إذا تم اكتشاف حركة مفاجئة، يتجمد جهاز التحكم التابع فورا ويحافظ على موقعه الصحيح الأخير في وضع تثبيت الموضع المخصص؛ للتعافي من هذه الحالة واستئناف التشغيل عن بعد المشترك تلقائيا، يجب على المشغل تحريك المتحكم الرئيسي يدويا إلى الخلف حتى تنخفض مسافة التأثير الإقليدي للمؤثر-الرئيسي تحت عتبة استرداد 20 مم. أخيرا، تكتمل التجربة وتعتبر ناجحة عندما يصل مؤثر التابع إلى الهدف B ويبقى ضمن 5 ملم من موقعه.

التجربة 1: كشف سلوك التشغيل المفاجئ
تؤكد هذه التجربة آلية الكشف على منصة المختبر. أثناء التشغيل عن بعد عند 50 هرتز، يتم مراقبة إزاحة المؤثر الرئيسي لكل إطار. عندما يتجاوز D_th = 6 مم/إطار (السرعة اللحظية 300 مم/ثانية)، يدخل النظام في حالة FROZEN (FROZEN STATE): يتوقف جهاز التحكم التابع عن التتبع ويحافظ على آخر تكوين صالح. يبقى العبد مجمدا حتى يعيد المشغل الماستر إلى مسافة 20 مم من الوضع المجمد.

التجربة 2: مقارنة أداء التحكم المشترك

تمت مقارنة ثلاثة أوزان تحكيم α=0.3، α=0.8، α=1.0 على منصة المختبر، كما هو موثق في الفيديو التكميلي 1، الفيديو التكميلي 2، والفيديو التكميلي 3. تم إجراء ما مجموعه 45 تجربة تجريبية، شارك فيها ثلاثة مشغلين يؤدون خمس تكرارات تحت كل من شروط التحكيم الثلاثة. تم تقييم أداء النظام باستخدام ثلاثة مقاييس تقييم رئيسية. أولا، زمن الإكمال T: إجمالي المدة من أول إدخال للمشغل إلى المؤثر النهائي التابع الذي يصل إلى الموقع المستهدف B؛ الوقت الأقصر يشير إلى كفاءة تشغيلية أعلى. ثانيا، كفاءة المسار η=L_مستقيم/_{L الفعلي}، حيث L_{المستقيم} هو المسافة الإقليدية من موقع البداية A إلى الموقع المستهدف B، وL_الفعلي هو الطول الكلي للمسار الذي قطعه المؤثر التابع خلال التجربة، η=1 يشير إلى مسار مباشر وفعال تماما؛ تشير القيم المنخفضة إلى حركة أكثر تكرارا ومليئة بالتحويلات. ثالثا، الحركات الفرعية تعد N_فرعية تمثل عدد مقاطع الحركة المميزة، والذي يحسب عن طريق عد التقاطع الصفري في ملف السرعة الملمس للمؤثر الرئيسي النهائي؛ يشير العد الأصغر إلى عملية أكثر استمرارية وثقة مع حمل معرفي أقل على المشغل. أخيرا، يتم تقييم الدلالة الإحصائية عبر شروط التحكيم الثلاثة باستخدام اختبار H كروسكال-واليس، مع استخدام اختبارات مان-ويتني U الزوجية للمقارنات بعد الواقع.

التجربة 3: النشر الميداني

بعد التحقق من المختبر، يتم نشر خوارزمية التحكم المشترك (α=0.3) وكشف السلوك المفاجئ على الروبوت العامل الحي الموضح في بناء نظام التشغيل عن بعد.

النتائج

كشف سلوك التشغيل المفاجئ
يوضح الشكل 12 تحليل السلاسل الزمنية لتجربة تمثيلية على منصة المختبر، والتي تتضمن حركتين مفاجئتين متعمدين.
تم اكتشاف كلا الحركتين المفاجئتين (TPR = 100٪) عند 1.81 ثانية و5.72 ثانية على التوالي، مع صفر إيجابيات كاذبة (FPR = 0٪) خلال 13.2 ثانية من التشغيل الطبيعي. زمن استجابة التجميد: إطار واحد (20 مللي ثانية)، يقاس بتوقيت حلقة التحكم.

أداء التحكم المشترك
يعرض

المناقشة

تقترح هذه الدراسة نظام روبوت يعمل بخط حي يعمل عن بعد يعتمد على التحكم المشترك بين الإنسان والروبوت. على عكس الأنظمة المستقلة بالكامل التي تكافح مع الإضاءة الخارجية الديناميكية والخلفيات غير المنظمة¹²، والتشغيل التقليدي للتتبع التابع للسيد والعبد الذي يفرض أحملا معرفية وجسدية عالية على المشغلين 14,15,16، فإن نهجنا يدمج النية البشرية مع التخطيط الذاتي الروبوتي. بالإضافة إلى...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
Hikvision DS-2DC2D20IW-DE3	Hikvision	https://www.hikvision.com/cn/products/pdplist/161056/	كاميرا مراقبة pan-tilt-zoom (PTZ)
KUNWEI KWR75	KUNWEItech	https://www.kunweitech.com/products/866.html	مستشعر القوة
LivoxAVIA	Livox(DJI)	https://www.livoxtech.com/cn/avia	ليزر LiDAR
Piper	AGILEX	https://www.agilex.ai/page/690abe7b5e78cfa260412c92?mi=1&rn=PIPER+%E6%A0%87%E5%87%86%E7%89%88	جهاز تحكم رئيسي/منفِّذ للتحقق من التجارب على منصة المختبر
Python	Python Software Foundation	https://www.python.org/	لغة البرمجة
RealSenseD435	Intel	https://store.realsenseai.com/buy-intel-realsense-depth-camera-d435.html	كاميرا ثنائية
Touch	3D Systems	https://cn.3dsystems.com/haptics-devices/touch	جهاز هابتيك
Ubuntu 24.04	Canonical Ubuntu	https://ubuntu.cn/	نظام التشغيل
UR10	Universal Robots	https://www.universal-robots.cn/	آلة التحكم في عمل الروبوت الحي