1 第一章 緒論
1.1 研究動機與目的
早在遠古時代，遠端操作的概念已被應用於日常生活中，例如使用樹枝來探 測未知的環境，測量其軟硬深淺，或是利用具有一定長度的工具讓人類遠離難以 承受的環境並且完成工作。遠端操作的概念使人類的生活增加了延展性與提高了 安全性。在這個網路發達的年代，遠端操作系統透過網路資料交換大大地延長了 操作的距離，網路就像無限延長的媒介，讓人類可將雙手延伸到世界的任何一個 角落。舉凡從軍事任務、太空計畫、救災行動、核能電廠的燃料棒更換、高危險 化學物質封裝、深海探測，到遠端外科手術，都是遠端操作系統的極致應用。
雖然網際網路延長了遠端操作系統的範圍，卻也是遠端操作系統最需要克服 的難題。對於一個遠端操作系統而言，最重要的就是穩定性(stability)，其次是透 明性(transparency)或同步性(synchronization)，而這幾項特性往往因為網路的特性 造成嚴重的不良影響。由於網路具有時間延遲、封包遺失與頻寬的考量，在這樣 的限制之下，操作系統也會同樣受到限制，例如時間的延遲與封包遺失可能導致 系統不穩定，頻寬的不足可能導致應用程式或控制器的效能受限而無法讓操作者 能夠準確地操作或判斷當前情況。所以基於種種限制因素的考量，如何克服網際 網對系統帶來的負面影響，一直是學者們努力的目標，也是本論文的重點。
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1.2 研究背景與發展概況
當網際網路逐漸成為人們日常生活不可或缺的糧食時，科技也隨著網路的蓬 勃發展迅速的進步。雖然人類在機器人領域已投注了不少時間與心力，但是在許 多嚴苛或充滿不定因素的環境，例如危險的軍事武器拆卸、核能電廠的燃料棒更 換、太空任務、深海任務、無人駕駛飛機與汽車…等等，機器人的自主性還是略 顯不足，因此遠端操作的技術便因此誕生。
1940 年代晚期，由 R.Goertz 於 Argonne National Laboratory 提出第一套主從 式遠端操作系統機構[1]，到了 1960 年代早期，Ferrell 與 Sheridan 等人作了一系 列的實驗，探討網路延遲對於遠成操作系統的影響，他們提出的監督式控制系統 (supervisory Control)刺激了許多人對於這個領域的研究興趣[2]，所以相關的研 究也開始蓬勃發展，進而發展出遠端操作系統的軟體語言與視覺強化預測顯示機 制，目的為將主從端資料交換量降低。直到 1980 年代晚期至 1990 年代早期，網 路理論(network Theory)逐漸成熟，Anderson 與 Spong 於 1989 年提出的分散理 論(scattering Theory)也在此時問世[3]。而關於透明度(transparency)的相關探討 於 1990 年代初期由 Lawrence[4]、Yokokohiji 與 Yoshikawa 提出[5]，其中闡述了 雙向力回饋與速度回饋的重要性。直至 90 年代中期，網際網路開始被人們廣泛 使用於通訊應用，封包與網路中的傳送，導致了新的資料延遲或遺失問題，因此，
相關嶄新的研究也相繼產生。
而近五十年來，遠端操作系統亦廣泛的被運用在眾多科技中。
1. 遠端手術系統
頗具名氣的達文西(da Vinci)系統[6]，在現今微創手術的時代，同時利 用了腹腔鏡手術，傷口小、出血量少、恢復快的優點與傳統開腹式手術，視 野自由、手眼協調的優點，將外科手術技術推向了另一個革命點。透過遠端 外科手術系統，可以讓有能力的外科醫生將醫術傳達到全世界的各個角落，
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造福更多需要幫助的病人。
2. 深海交通工具
由於深海的高壓與低含氧量環境，使人類探索世界的觸角難以進入，但 近年來透過深海水底探測器，科學家得以對海底深層的生物採樣研究，另外 也可應用於軍事與石油探測等任務。
3. 太空機器人
顯而易見的，太空的環境非常不適合人類生存，在太空任務中，重複性 高的任務就需要藉由操作機器人手臂達成，如此一來可以減少太空人穿戴裝 備的麻煩，更重要的是可以降低危險發生的機率。2004 年 Imaida 與 Yoon 等人發表了在 Engineering Test Satellite 7(ETS-VII)衛星上進行的
slope-tracing 與 peg-in-hole 實驗，證明了即使在延遲時間平均為七秒之久的 情況下，系統依然能夠維持穩定並達到可接受的任務完成度[7] 。
4. 危險物質處理
最早的遠端操作系統就是為了處理核子原料而誕生的，由於核子分裂的 過程中所產生的輻射會對生物造成細胞的破壞，所以透過遠端操作可讓工作 人員避免受到輻射的汙染。而近期 Wang 與 Yuan 亦有對於針對以封裝的放射 性物質，防止外洩之輻射線偵測的相關研究[8]。
5. 搜救機器人
在執行救災任務的時候，災難的第一現場往往是人類無法進入之處，以 地震的例子來說，當房屋倒塌時，搜救人員進入瓦礫堆中尋找生還者的動作 具有極高的危險性，為避免危險發生，有線或無線的搜救機器人因此誕生，
對於機器人自主性無法掌握的環境中，即需要人為操作已達成任務。
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1.3 問題陳述
1. 網路延遲對於底層閉迴路系統造成的影響
由於遠端網路操作系統藉由網際網路(Internet)做為操作端與被控體間的媒 介，而網際網路本身存在著不可避免的時間延遲效應，如此的時間延遲，在閉迴 路系統中會造成非常嚴重的影響。
以一個簡單的例子來說，圖 1-1 閉迴路控制系統為一個閉迴路控制系統 :
圖 1-1 閉迴路控制系統 其系統響應為 :
𝑌(𝑠)
𝑅(𝑠) = 𝐺 𝑐 (𝑠)𝐺(𝑠)
1+𝐺 𝑐 (𝑠)𝐺(𝑠)
其中𝐺𝑐
(𝑠), 𝐺(𝑠)為控制器與被控系統的 Laplace Transformation 接著加入網際網路為通訊媒介 :圖 1-2 加入網路的閉迴路控制系統
系統響應則變成 :
𝑌(𝑠)
𝑅(𝑠) = 1+𝐺 𝐺 𝑐 (𝑠)𝐺(𝑠)𝑒 −𝑇1𝑠
𝑐 (𝑠)𝐺(𝑠)𝑒 −(𝑇1+𝑇2)𝑠
其中𝑇1
為 forward-delay time，𝑇2
為 backward-delay time。值得注意的是，加入網路後的系統極點，會因為網路的延遲效應而改變，即 在轉移函數中的𝑒
−(𝑇
1+𝑇
2)𝑠
项造成之影響。除此之外，實際的網路延遲時間往往會 隨時間、環境、使用者數量甚至天氣變動，如此一來系統的極點就會飄動不定，使系統進入 unstable 的機率增加。這也是為什麼遠端操作系統注重的第一個條件 就是穩定度，原因就在於網路延遲非常容易造成系統趨於不穩定。
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2. 網路影像監控系統由於網路延遲與工作空間差異造成之操作困難
在本論文架構的操作系統中，操作者藉由遠端網路攝影機傳送回來的影 像，進行確認與判斷此時操作點的移動狀態與確切的位置。但是由於網路延遲的 關係，操作者看到的網路影像與實際正在發生的情況其實相差了一個網路延遲的 時間，在這樣的情況下，操作者會因為無法確認實際發生的狀況而無法給予受控 體正確的指令以達到期望的結果。舉例來說，操作者目前看到操作點在 x1 的位 置，希望操作點到達 Y 點，在影像訊號傳送到操作端時，實際上遠端的操作點 已經移動到 x2 的位置，操作者此時會給予 Y-X1 的位置命令，在訊號傳送到被 控體後，執行接收到的位置命令 Y-X1，就會造成最終操作點超過預期位置的情 況發生，如圖 1-3 所示。而由於操作端與受控端的工作空間差異，難以提供精準 的操做命令，降低操作上的透明度，也亦為造成循軌誤差的主要原因之一。
圖 1-3 網路監控系統操作示意圖
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1.4 研究方法
1. 網路延遲對底層系統響應造成之影響 :
I. 通訊擾動估測器(communication disturbance observer, CDOB)
利用近年由 Kenji Natori 提出之通訊擾動估測器[9]，將網路延遲 的效應視為系統的擾動量，利用估測器將延遲造成的影響一併與回授訊 號相抵消，期望最後留下未經過網路延遲影響的響應訊號。但是由於 CDOB 實現於離散系統時會因為取樣頻率不足，造成架構內之積分項的 取樣誤差，進而使估測值產生穩態誤差，此穩態誤差與回授訊號結合後 容易造成系統的不穩定。所以在此提出了另一簡化架構，使估測器在系 統取樣頻率不足的情況下依然可以正常運作。
II. 模型預測控制器(model predictive controller, MPC)
模型預測控制器利用已知受控體模型，透過預測未來響應、最佳化 指標與實際回授修正策略，即時計算出最符合預期響應的控制訊號。如 此可改善由於其他不確定因素例如訊號延遲造成的影響，所以比一般控 制器更能夠克服複雜且不定的受控體對期望響應造成的影響。運用於網 路控制系統中，可基於受控體模型估測系統理想情況之輸出響應，在資 料遺失情況發生時提供估測迴授值。
III.估測迴授訊號之權重分配機制(feedback weighting mechanism) 由於 MPC 可基於系統模型估測出系統理想的輸出響應，我們可以利 用此估測響應，與 CDOB 估測之系統響應進行權重分配，當作最後未 經過網路延遲影響的回授訊號，並且在不同延遲時間下分析各參數之響 應特性，驗證所選之參數可使 NSC 有最佳響應。此外在 data dropout 的 情況發生時，將權重調整至只使用 MPC 估測迴授，可彌補 CDOB 之估 測誤差，進而提升系統穩定度。
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2. 網路影像延遲對上層造成之操作困難 : I. 虛擬操作點影像輔助機制
遠端操作系統透過網路影像之命令操作端，與受控端所處的實際工 作空間(work space)存在的差異，造成操作者操作上的不真實與不適感，
亦為造成循軌誤差的主要原因。本文提出了位置命令在兩工作空間的轉 換機制：網路攝影機擷取畫面的受控端所處的工作空間為三維的空間座 標，而操作端接收畫面與命令決定的工作空間為二維的空間座標。由於 本平台可以透過操作介面確認攝影機照射範圍，所以此時便可將三維轉 二維簡化為二維轉二維座標的轉換矩陣，將操作端的位置命令轉換為相 對應的受控端位置命令，如此一來操作者可透過虛擬操作點，將遠方受 控端等效為近端開迴路操作，且不用完全仰賴網路回傳影像，做為操作 判斷依據，由實驗結果可看出此機制大大地提昇循軌準確度與效率。
亦為造成循軌誤差的主要原因。本文提出了位置命令在兩工作空間的轉 換機制：網路攝影機擷取畫面的受控端所處的工作空間為三維的空間座 標，而操作端接收畫面與命令決定的工作空間為二維的空間座標。由於 本平台可以透過操作介面確認攝影機照射範圍，所以此時便可將三維轉 二維簡化為二維轉二維座標的轉換矩陣，將操作端的位置命令轉換為相 對應的受控端位置命令，如此一來操作者可透過虛擬操作點，將遠方受 控端等效為近端開迴路操作，且不用完全仰賴網路回傳影像，做為操作 判斷依據，由實驗結果可看出此機制大大地提昇循軌準確度與效率。