1、ALowCostExperimentalTeleroboticSystemsA.ZaatriMechanicalDepartmentLaboratoryUniversityMentouriofConstantine,AlgeriaThispaperpresentsthedevelopmentofalowcostexperimentalteleroboticsystembuiltupwithlocalmeansinanemergingcountry(Algeria).Fromaremotesite,awebcamsendsimagesofarobotmanipulatorthroughInter

2、nettothecontrolsitewhereahumanoperatorremotelymonitorsthisrobotinordertoachievepick-and-placetasks.Somecontrolmodeshavebeenimplementedandtestedsuchasmouse-click,image-basedandgesture-basedmodes.Veryencouragingpedagogicalresultshavebeenobtainedinthisattractiveandcomplexfieldofmoderntechnology.1. Intr

3、oductionIndevelopingcountries,veryhardconstraintsanddifficultiesareimposedtostudentsandresearchersleadingusuallytoinadequatepedagogicresults,especiallywhenattemptingtolearnandexperimentcomplexmodernsystems.Theseconstraintsmaystemfromthelackofeconomicalbudgets,fromabureaucraticdiscouragingenvironment

4、,fromamismachbetweenuniversityandindustry,etc.Oneinterestingandchallengingfieldtoinvestigateandtoexperimentbystudentsinemergingcountriesconcernsthedesignofmoderntechnologyapplicationssuchasthedevelopmentoflowcostexperimentalteleroboticsystems.Indeed,thishelpstounderstandandmasterhowtocombinebothengi

5、neeringandinformationtechnologiesinordertobuiltcomplexsystems.Inthiscontext,somepedagogicteleroboticsystemsareavailablethroughInternetsuchasthemobilerobotXavier1,andthewebrobotABBofAustralia2.However,asfarasweknow,noneareavailableindevelopingcountries.Therefore,tointroducethischallengingtechnology,a

6、didacticprogramhasbeenlaunchedbasedonthefollowingsteps:-builduprobotarmmanipulators.-buildupapantiltunit(ptu)forcontrollingawebcamorientation.-implementrobotcontrolsoftware-implementthecommunicationsoftwareviainternetconnectingtherobotsiteandtheoperatorsite.-implementandtestremotelysomecontrolmodes.

7、2. TheExperimentalTeleroboticSystemTheteleroboticsystemiscomposed,attheremotesite,ofarobotarmmanipulatorandofaptutocontroltheorientationofawebcam.Boththeroboticarmmanipulatorandtheptuhavebeendesignedandbuiltinourlaboratory.ThearmmanipulatorisaserialrobotofthreedegreesoffreedomoftypeRRR.Itholdsagripp

8、er.Theptuenableshorizontalandverticalorientations.ThearticulationsaremotorisedwithveryeconomicalDCmotors.Figure1showstheptuholdingthewebcamaswellastherobotarmmanipulator.Again,theelectroniccommandunitforrobotcontrolareimplementedinourlaboratorywithverycheapcomponents.Figure1.Theteleroboticremotesyst

9、emSincethereisnohardwareforsignalacquisitionthatisavailableatthisstage,theelectroniccommandunitusessimplytheparallelportsofthePCtoselectandactivatetheDCmotorsinanon-offway.OnthelocalsitestandsthehumanoperatorwhoremotelydirectsthetasksviaaGraphicalUserInterface(GUI).ThisGUIisdesignedaccordingtouser-c

10、entreddesign.Itprovidesfacilitiestoremotelycontrolboththerobotarmmanipulatorandthepan-tiltunitforselectingviews.Mouseclickbasedcontrol,imagebasedcontrol,andgesturebasedcontrolhavebeenimplementedandtested.Figure2showstheoperatoratthelocalsiteandthevideostreamthatenablestocarryouttasks.Figure2.Thetele

11、roboticlocalsiteTwoPCsareused,oneatthelocalsiteandthesecondattheremotesite.TheinterconnectionbetweenthesesitesisbasedontheTCP/IPsockets.ThesoftwareismainlywritteninJavawhilesomelowlevelfunctionsarewrittenwithC.Foreconomicalreasons,wehaveactuallyonlyimplementedthedirectgeometricalmodelandtheinversege

12、ometricalmodel.Ofcourse,thesystemisnotaccuratesincethesemodelsdonottakeintoaccountthegravityeffectandthereisnofeedback.Nevertheless,thesesimplemodelsenabletoachievesomepick-and-placetasks.3. ControlModesToremotelyachievetasks,wehaveimplementedthefollowingthreecontrolmodes.3.1. MouseclickcommandsThem

13、ouseclickcontrolmodeenablesthecontroloftherobotaswellastheptubyusingsimplemouseclicksonsomeappropriatebuttonsofapanel.Eachbuttonrepresentsaspecificfunctionoraspecificdirectionofmotion.TheframesshowedinFigure3showsthecontrolpanelsofthearmmanipulatorandoftheptu.CONNECTIOHCAMERAFigure4.Therobotperformi

14、ngataskNOfiD.*t：?TIE和&JDFigure3.ControlPanels(robotandptu)Toachievetaskswiththismode,theoperatordirectstherobotbyaseriesofclicksontheappropriatebuttons.3.2. ImageBasedCommandsImage-basedcontrolmodeenableshighlevelcontrol.Withinthismode,theoperatordirectstherobottowardslocationsin2Dor3Dspacebyonl

15、ypointingontheirimagesbymeansofamouseclicks3.ThismodehasalsobeenusedtocontrolMarskhodrobot4.3.3. GesturecommandsTheoperatorstandsinfrontofthewebcamandmovesanobjectinacertaindirection.AnalgorithmusingtheKLTtracker5determinesthedirectionofthemotionthatservestoorienttherobotinthecorrespondingdirection.

16、4. ExperimentsVariousexperimentshavebeencarriedoutinvolvingthedescribedcontrolmodes.4.1. Mouse-clickcontrolexperimentsWithinthiscontrolmode,theoperatorcancarryoutpick-and-placetaskssuchaspickaboxfromaboveatableandplaceitatanotherlocation.Inpractice,theoperatormanagesthetaskbyclickingonselectedbutton

17、softhegraphicalpanelinordertodirecttherobottowardstheobjectofinterest.Oncetheend-effectorispositionednearthatbox,theoperatoractivatesthegripperforpickingthisobject.Then,theoperatormovestherobottowardsthepositionwheretheboxhastobeleft.Oncethispositionisreached,theoperatordeactivatesthegripperinordert

18、oreleasethebox.Figure4illustratesourexperimentalrobotperformingapick-and-placetask.Manyexperimentshavebeencarriedoutwithdifferentstudents.Itturnsoutthatthismodeisintuitiveandveryeasytolearn.Ontheotherhand,difficultiesarisefromthefactthattheoperatorhastodirecttasksbycontrollingeachdegreeoffreedominde

19、pendently.Onemainadvantageisthattheoperatorcompensatestheincertaintiesandtherobotunaccuracy.4.2. Image-basedcontrolexperimentsManyexperimentshavebeencarriedoutusingtheimage-basedcontrol.Practically,thiscontrolmodeisusedtosendtherobottosomelocation.First,animageoftheremotesiteisgrabbed.Then,theoperat

20、orselectsanobjectofinterest.Thestreovisionsoftwareextractsthecoordinatesofthisobjectwhichareusedtomovetherobottowardstheobjectintherealworld.Inpractice,unaccuracyhavenegativelyinfluencedourresultsbecauseofthemodelsimplicity,thelackoffeedback,thecalibrationofcheapwebcams.Asaconsequence,theimplementat

21、ionofimage_basedin2Dspacehaveprovidedbetterresultswithcomparisonofthatof3Dspace.4.3. Gesture-basedcontrolExperimentsExperimentshavebeencarriedoutwithinthiscontrolmode.Theoperatorgeneratesaseriesofmovementsindifferentdirections.Thesoftwareanalysestheimagestreamandmovestherobotinthecorrespondingdirect

22、ions.Thiscontrolmodeofferstheadvantageofbeingwithoutcontactoftheoperatorwiththecomputer.Anotheradvantageisthepossibilityofusingthistechniqueforrobotprogrammingbyhumandemonstration.Nevertheless,somedifficultieswhicharerelatedtoimageprocessingandenvironmentissueslimitthecapabilityofthiscontrolmode.5.

23、ConclusionAlowcostpedagogicexperimentalteleroboticsystembuiltupinourlaboratoryhaseffectivelybeenusedtocarryoutsimplepick-and-placeexperiments.Wehaveimplementedandtestedthreecontrolmodesnamelymouse-click-basedcontrol,image-basedcontrolandgesture-basedcontrol.Experimentshasshownthatthemainissueremains

24、thepooraccuracyoftheteleroboticsystem.Thisissuecanbeovercomedbyaddingsomeequipmentsuchasaccuratemotorsandcameras,byimplementingdynamicalrobotmodelsandbyusingfeedbackcontrol.Oneimportantaddedvalueistocombinethesemodesinordertobuildamultimodalinterface.References1 R.Simmonsetal,“Xavier:anautonomousmob

25、ilerobotontheweb"RoboticAutomationMagasine,2000,pp.733-739.2 B.Dalton,“Techniquesforwebteleroboticsdepartmentofmechanicalandmaterialengineering.UniversityofWesternAustralia,2001.3 A.ZaatriandM.Oussalah,aIntegrationanddesignofmultimodalinterfasupeDvisorycontrolsystems”,Informationfusijournal,200

26、3,4(2),pp.135-1504 D.Wettergreen,H.ThomasandM.Bualat,aInitialresultsfromvision-basedcontroloftheAmesMarsokhodrover“IEEEInternationalConferenceonintelligentrobotsandsystems,Grenoble,sep1997.5 B.D.LucasandT.Kanade,“AnIterativeImageRegistrationTechniquewithanApplicationtoStereoVision”,InternationalJoin

27、tConferenceonArtificialIntelligence,1981,pages6749.一種低成本實驗遙控機器人系統A.Zaatri阿爾及利亞君士坦丁門圖大學機械系實驗室摘要本文介紹了由新興國家（阿爾及利亞）采用當地方法建立的一種低成本實驗遙控機器人系統的發展。從長遠看，人工操作者將使用攝像頭，借助互聯網把圖片傳送給機械手，通過遠程控制實現這個機械手選擇或放置的任務。一些控制模式已經被應用或試驗，如鼠標點擊模式，基于圖像的模式和基于形體的模式。在這個充滿吸引力且十分復雜的現代技術領域已經取得了非常令人鼓舞的成果。1 .導言在發展中國家，由于受到非常多的困難和制約因素，學生和前沿研

28、究人員通常只能得到不完整的教學實驗成果，尤其是在嘗試學習和試驗復雜的現代系統時。這些制約因素可能源于經濟預算的不足，或者政府官員的不支持政策，以及大學與工業領域的脫軌，等等。在新興國家，學生就設計現代技術的申請做了一個有趣并具有挑戰性的實地調查和實驗，如低成本實驗遙控機器人系統。事實上，這有助于理解和掌握如何結合工程與信息技術來建立復雜的系統。在這種情況下，通過互聯網可以利用到一些教學用的遙控機器人系統，如移動機器人Xavier1,以及澳大利亞ABB公司的網絡機器人2。但是，據我們所知，在發展中國家這些機器人沒有一個可利用。因此，為介紹這項具有挑戰性的技術作了教學計劃，基本步驟如下所示： 建立

29、機器人手臂。建立一個機動機構（ptu）來控制攝像頭的方向。 使用機器人控制軟件。 使用通信軟件，通過互聯網連通機器人站點和人工操作者站點。 應用和試驗一些遠程控制模式。2 .實驗遙控機器人系統這個遙控機器人系統完成后，在遠程站點，由一個機器人手臂或一個機動機構來控制攝像頭的方向。這個機器人手臂或這個機動機構均已在我們實驗室設計并建造出來。這個機器人手臂是一個三自由度型的串行系統機器人。它擁有一個爪子。這個機動機構能使攝像頭在水平方向和垂直方向運動。關節由一個特殊的經濟型直流電機驅動。圖1顯示了機動機構控制攝像頭以及機械臂操縱攝像頭的情況。另外，在我們實驗室，使用了非常便宜的組件來實現電子指令系

30、統對機器人的控制。圖1:遠程遙控機器人系統在現階段由于沒有可用的硬件來采集信號,擇和激活直流電機的開和關狀態。電子指令系統只能使用電腦的并行端口來選另外,圖2顯示在本地站點，人工操作者通過圖形用戶界面（GUI）遠程指揮任務。這個用戶界面的設計是以用戶為中心設計的。它提供遠程控制機械臂操縱和機動機構選擇觀察點的設施?；谑髽它c擊的控制，基于圖像的控制，基于形體的控制也已經得到應用和試驗。了人工操作者在本地站點操作控制，右圖視頻上顯示機械臂在執行任務。圖2:遙控機器人本地站點使用兩臺電腦，一臺在本地站點和另一臺在遠程站點。這些站點之間的互連是基于TCP/IP插口。該軟件主要是用Java編寫的，其中

31、一些低層次的功能是用C語言編寫的。由于經濟方面的原因，我們事實上只使用了直接幾何模型和逆幾何模型。當然，這個系統是不準確的，因為這些模型沒有考慮重力的影響，也沒有任何反饋。不過，這些簡單的模型能夠實現機器人完成一些選擇或放置的任務。3 .控制模式為了實現遠程執行任務，我們使用了以下三種控制模式。3.1 鼠標點擊命令鼠標點擊控制模式使機器人的控制可以通過鼠標簡單地點擊一些合適的按鈕來控制機器人或機動機構。每個按鈕代表了一個特定的功能或特定的運動方向。如圖3所示的表框顯示了機器人手臂和機動機構的控制面板。圖3:控制面板（機器人手臂和機動機構）在這種模式下執行任務，操作者只要按特定順序點擊相應的按鈕

32、來控制機器人。3.2 基于圖像的命令基于圖像的控制模式能夠實現高層次的控制。在這一模式下，操作者只要在他們的圖像上通過鼠標點擊的方式點擊機器人所在二維或三維空間的位置來控制它。這種模式曾被用來控制機器人Marskhod4。3.3形體命令操作者站在攝像頭前然后按照某個確定的方向移動一個物體。使用KLT跟蹤算法5來決定運動方向，實現在相應方向上機器人的確定運動。4 .實驗我們已經進行了各種相關實驗來描述這個控制模式。4.1 鼠標點擊控制的實驗在這個控制模式下，操作者可以實現機器人選擇和放置的任務，如拿起桌子上的一個表箱或者把它搬放到到另一位置。在實踐中，操作者通過點擊圖形面板上的選擇按鈕來控制機器人去自己所想的任何地方。只要最終地點是箱子附近的位置，操作者就能驅動夾鉗來拿起這個箱子。然后，操作者操縱機器人移動到箱子需要放置的位置。只要到達了指定地點，操作者操縱機器人松開夾鉗，放下這個箱子。圖4顯示了我們的實驗機器人演示選擇或放置的任務。圖4:該機器人正在演示任務很多不同的學生進行過