基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制協(xié)作機(jī)器人解決方案

隨著老齡化等因素引起全球人力成本的持續(xù)上漲和勞動(dòng)力短缺的問題，機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力已經(jīng)成為不可改變的趨勢(shì) [1] 。當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)大量使用于制造業(yè)，尤其是在制造車間，工業(yè)機(jī)器人可以將一些重復(fù)性的人工勞動(dòng)代替下來，節(jié)省人力。隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種機(jī)器人產(chǎn)品被研發(fā)出來，使得機(jī)器人產(chǎn)品開始擴(kuò)展到其它行業(yè)，并激發(fā)了巨大的市場(chǎng)空間。當(dāng)前全球機(jī)器人市場(chǎng)飛速增長(zhǎng)，2018年11月更新的IDC《全球機(jī)器人及無人機(jī)支出指南》 [2] 顯示，中國(guó)機(jī)器人和無人機(jī)及相關(guān)服務(wù)的支出額持續(xù)高速增長(zhǎng)，到2022年將達(dá)到805.2億美元（約合5560億元人民幣），2018～2022年復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）達(dá)到27%。中國(guó)是全球最大的機(jī)器人市場(chǎng)，預(yù)計(jì)到2022年將占全球總量的38％以上。

在一些傳統(tǒng)的危險(xiǎn)行業(yè)，比如地下管道遠(yuǎn)程維修、山體滑坡遠(yuǎn)程搶險(xiǎn)、消防救人、排雷防爆等等，這些行業(yè)的操作環(huán)境惡劣，對(duì)人體危害大，這類工作可以使用機(jī)器人來執(zhí)行一些人類無法處理的任務(wù)。但是在一些高危行業(yè)中，每次遇到的情況復(fù)雜，不能完全復(fù)用原來的處理方法，無法使用統(tǒng)一智能化算法控制機(jī)器人獨(dú)立完成，需要遠(yuǎn)程人為控制。

通過在機(jī)器人安裝攝像機(jī)等高清影像采集設(shè)備，將遠(yuǎn)程場(chǎng)景的視覺傳輸給控制者，控制者實(shí)時(shí)監(jiān)控回傳過來的視覺圖像，佩戴傳感器并針對(duì)場(chǎng)景做出相應(yīng)的操作行為，機(jī)器人通過“學(xué)習(xí)”控制者的動(dòng)作并同步執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜行為的操作。即新動(dòng)作不需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行復(fù)雜的編程，而是機(jī)器人通過學(xué)習(xí)遠(yuǎn)端人類動(dòng)作即可完成既定動(dòng)作，完成對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)性工作任務(wù)，保障人身安全。

在以上場(chǎng)景中，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)有三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。一是高速數(shù)據(jù)傳輸速率：為了使得控制者能夠全面清晰實(shí)時(shí)地了解現(xiàn)場(chǎng)的情況，機(jī)器人佩戴高清攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集，高清視頻的傳輸需要大帶寬保障視頻內(nèi)容上行傳輸?shù)牧鲿承耘c實(shí)時(shí)性；控制者佩戴的高清VR眼鏡或者M(jìn)R眼鏡也需要大帶寬保障視頻內(nèi)容下行傳輸?shù)牧鲿承耘c實(shí)時(shí)性。二是低時(shí)延：人類控制操作者與受控機(jī)器人之間交互行為指令的實(shí)時(shí)下發(fā)，這需要網(wǎng)絡(luò)具有低時(shí)延以保障控制者的行為可以通過傳感器，實(shí)時(shí)控制機(jī)器人。三是機(jī)器人與控制者之間通信網(wǎng)絡(luò)的快速便利部署，機(jī)器人和控制者之間如果使用有線網(wǎng)絡(luò)，雖然網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和帶寬可以得到某種程度上的保證，但有線使得機(jī)器人的活動(dòng)范圍受到限制，而且在機(jī)器人和控制者之間快速的部署網(wǎng)絡(luò)無法便捷實(shí)現(xiàn)。

如果使用Wi-Fi或者4G無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，由于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性差，以及4G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和時(shí)延的限制，現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)帶寬和時(shí)延無法穩(wěn)定地滿足一些高速率低時(shí)延場(chǎng)景。這些技術(shù)瓶頸使得遠(yuǎn)程控制協(xié)作機(jī)器人在產(chǎn)業(yè)實(shí)際應(yīng)用中遇到重重困難，至今還無法規(guī)模發(fā)展和部署。而5G網(wǎng)絡(luò)具有的大帶寬，低時(shí)延特性，正可以解決這些技術(shù)瓶頸，5G正為遠(yuǎn)程控制協(xié)作機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新的機(jī)遇。

1 5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)于URLLC的支持

URLLC是5G網(wǎng)絡(luò)的三大特性之一。5G URLLC被業(yè)界廣泛認(rèn)為可以應(yīng)用于工業(yè)控制、工廠自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)通訊、遠(yuǎn)程手術(shù)等場(chǎng)景 [3-4] 。對(duì)于某個(gè)特定的業(yè)務(wù)，減少端到端的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延主要因素有以下幾點(diǎn)構(gòu)成：

（1）提高傳輸調(diào)度效率。根據(jù)3GPP的定義，在5G的無線空口設(shè)計(jì)中 [5] 引入了很多新技術(shù)以提高空口調(diào)度效率。比如采用更短的調(diào)度時(shí)間單位，采用更大的子載波間隔，更短的OFDM符號(hào)，引入了“迷你時(shí)隙（mini-slot）”傳輸機(jī)制等來實(shí)現(xiàn)低時(shí)延。

（2）減小中間傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。從端到端業(yè)務(wù)角度，IP數(shù)據(jù)報(bào)文每經(jīng)過一個(gè)邏輯節(jié)點(diǎn)或路由器的處理就會(huì)增加相應(yīng)的傳輸時(shí)延及處理時(shí)延。盡量減少中間傳輸節(jié)點(diǎn)數(shù)量，使得服務(wù)器下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣，減少了數(shù)據(jù)傳輸路徑，有利于減少中間傳輸節(jié)點(diǎn)，有利于時(shí)延的縮短。5G新技術(shù)邊緣計(jì)算就是為了解決這一問題。

（3）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。常用的TCP協(xié)議由于技術(shù)復(fù)雜性，當(dāng)發(fā)生丟包或抖動(dòng)時(shí)引入高時(shí)延，而UDP協(xié)議雖然高效但在可靠性方面存在不足，需要基于業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的需求進(jìn)行平衡考量以及進(jìn)一步優(yōu)化。

2 遠(yuǎn)程控制協(xié)作機(jī)器人解決方案

圖1是遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的系統(tǒng)組成圖：

控制端操作者佩戴的傳感器由A、B、C、D這幾個(gè)傳感器組成，A、C、D傳感器實(shí)時(shí)計(jì)算和B的相對(duì)位置，每30?ms分別發(fā)送一次100?Byte左右的控制信息，控制者佩戴的傳感器和機(jī)器人分別安裝了通信模組，控制信息通過通信模組，通過網(wǎng)絡(luò)將控制信息傳輸給機(jī)器人身上的通信模組。機(jī)器人端的通信模組每隔30?ms可以接收到控制信息，并把控制信息傳到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，使機(jī)器人動(dòng)作和操作者動(dòng)作一致，控制者隨意做出手臂動(dòng)作，穿戴的手臂傳感器把對(duì)應(yīng)動(dòng)作通過網(wǎng)絡(luò)已建立的鏈路傳送到機(jī)器人手臂控制器，機(jī)器人控制器根據(jù)接收到的傳感命令，控制手臂做出和控制者相同的動(dòng)作。其對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示:

3 不同網(wǎng)絡(luò)的性能對(duì)比測(cè)試

3.1 測(cè)試方案說明

為了驗(yàn)證遠(yuǎn)程控制協(xié)作機(jī)器人在不同網(wǎng)絡(luò)下的流暢度和性能對(duì)比，采用路邦ME2仿生機(jī)器人一代和路邦ME2仿生機(jī)器人可穿戴傳感器，通過在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造多種業(yè)務(wù)場(chǎng)景和多種網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，對(duì)不同場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證和對(duì)比。遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求主要是圖像傳輸系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制指令傳輸兩個(gè)方面。由于當(dāng)前版本的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人產(chǎn)品還沒有集成高清攝像設(shè)備，在本測(cè)試中，采用在機(jī)器人側(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)灌包方式，模擬機(jī)器人實(shí)時(shí)采集和傳輸高清視頻內(nèi)容。中國(guó)移動(dòng)5G聯(lián)合創(chuàng)新中心發(fā)布的《5G云端機(jī)器人》 [6] 白皮書中提到機(jī)器人圖像傳輸系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求，圖像傳輸系統(tǒng)需要的帶寬與圖像的分辨率和VR攝像頭路數(shù)有直接關(guān)系，單路25fps、1?080p分辨率需要4?Mb/s，當(dāng)分辨率達(dá)到4k時(shí)，單路視頻的網(wǎng)絡(luò)帶寬需要至少16?Mb/s，目前高清VR至少需要2~3路攝像頭進(jìn)行畫面拼接才能帶給用戶高浸入感的用戶感受。在本測(cè)試中，分別取20??Mb/s和80??Mb/s上行灌包，以模擬機(jī)器人實(shí)時(shí)采集和上傳高清和超高清視頻。

業(yè)務(wù)場(chǎng)景1：操作者與機(jī)器人之間僅指令交互；

業(yè)務(wù)場(chǎng)景2：操作者與機(jī)器人之間指令交互+20??Mb/s上行灌包；

業(yè)務(wù)場(chǎng)景3：操作者與機(jī)器人之間指令交互+80?Mb/s上行灌包。

這些場(chǎng)景分別在5G網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下進(jìn)行測(cè)試，控制者隨意做出手臂動(dòng)作，穿戴的手臂傳感器把對(duì)應(yīng)動(dòng)作通過5G網(wǎng)絡(luò)建立的鏈路傳送到機(jī)器人手臂控制器，機(jī)器人控制器根據(jù)接收到的傳感命令，控制手臂做出和控制者相同的動(dòng)作。由于實(shí)驗(yàn)室無線環(huán)境復(fù)雜，如果由路由器自動(dòng)選擇信道，則會(huì)出現(xiàn)明顯的干擾，因此為了排除實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的干擾，Wi-Fi測(cè)試下分別采用固定信道和不固定信道的方式進(jìn)行測(cè)試和對(duì)比。

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景1：操作者與機(jī)器人之間通過Wi-Fi建立連接，不固定信道；

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景2：操作者與機(jī)器人之間通過Wi-Fi建立連接，固定Wi-Fi信道；

網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景3：操作者與機(jī)器人之間通過5G網(wǎng)絡(luò)建立連接。

圖3為5G網(wǎng)絡(luò)下機(jī)器人業(yè)務(wù)示意圖：

3.2 性能評(píng)估與測(cè)試數(shù)據(jù)采集方法

操作者的行為通過穿戴的傳感器采集處理后，通過5G或者Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將傳感器產(chǎn)生的控制信息傳輸?shù)綑C(jī)器人側(cè)，機(jī)器人根據(jù)指令做相應(yīng)的動(dòng)作。

端到端ping小包時(shí)延：由測(cè)試筆記本1設(shè)置包長(zhǎng)64 Byte

ping對(duì)端的TUE（Test User Equipment），在測(cè)試筆記本1取10分鐘內(nèi)ping時(shí)延的最大值、最小值、平均值（機(jī)器人的發(fā)包規(guī)律為每30 ms發(fā)送幾十到一百字節(jié)左右的數(shù)據(jù)，因此ping小包（64 Byte）時(shí)延可以作為近似評(píng)判控制信息發(fā)送的時(shí)延）。

本測(cè)試中，5G NR基站（SA）和5G終端（Test User Equipment）信息如表1所示。

3.3 測(cè)試結(jié)果與分析

表2為不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同業(yè)務(wù)的性能對(duì)比。

通過測(cè)試對(duì)比，可以有如下的觀察與結(jié)論：

（1）5G基站預(yù)調(diào)度開關(guān)對(duì)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人業(yè)務(wù)的時(shí)延有明顯影響。開啟后ping時(shí)延明顯變低，在預(yù)調(diào)度特性關(guān)閉的時(shí)候，ping小包時(shí)延超過100 ms，遠(yuǎn)大于機(jī)器人發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，因此預(yù)調(diào)度關(guān)的場(chǎng)景下機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生明顯時(shí)延。

結(jié)論1：打開預(yù)調(diào)度開關(guān)有利于時(shí)延敏感業(yè)務(wù)提升性能，但現(xiàn)網(wǎng)終端設(shè)備較多時(shí)，預(yù)調(diào)度可能會(huì)造成無線資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)網(wǎng)部署時(shí)應(yīng)全面考慮是否開啟基站預(yù)調(diào)度開關(guān)。

（2）通過灌包模擬遠(yuǎn)程控制機(jī)器人采集4k或者8k視頻并上傳（20 Mb/s灌包或者80 Mb/s灌包），對(duì)機(jī)器人動(dòng)作流暢度無明顯影響。

結(jié)論2：機(jī)器人使用高帶寬傳輸采集4k/8k高清80?Mb/s碼流視頻數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人操作并不影響機(jī)器人性能。

（3）Wi-Fi環(huán)境下易受到干擾。當(dāng)不設(shè)置信道時(shí)，機(jī)器人收到信號(hào)干擾，導(dǎo)致機(jī)器人動(dòng)作和控制者肉眼可見明顯動(dòng)作不一致；而當(dāng)設(shè)置固定信道時(shí)，由于Wi-Fi信道能力的限制，灌包只能達(dá)到40 Mb/s，無法滿足未來多路高清視頻的傳輸。

結(jié)論3：5G網(wǎng)絡(luò)無論時(shí)延還是帶寬穩(wěn)定性都能夠穩(wěn)定地支撐基于4k或者8k高清視頻采集的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸資源的要求。遠(yuǎn)程控制機(jī)器人設(shè)備需要加快和5G模組結(jié)合的開發(fā)，直接使用5G網(wǎng)絡(luò)提供的低時(shí)延、高可靠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，完成機(jī)器人遠(yuǎn)程控制。

（4）此應(yīng)用中，控制者的一個(gè)動(dòng)作指令傳輸?shù)綑C(jī)器人進(jìn)行反應(yīng)，端到端時(shí)延的環(huán)節(jié)分解如下：

1）每個(gè)傳感器計(jì)算自己與傳感器B的相對(duì)位置，處理時(shí)延T1；

2）每個(gè)傳感器將自己位置信息每30 ms為間隔，發(fā)給控制者身上的通信模組C，傳輸時(shí)延T2+30 ms；

3）通信模組C將控制信令通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)器人身上的通信模組R（Robot），耗時(shí)T3；

4）通信模組R將控制信息發(fā)送給機(jī)器人身上的各個(gè)關(guān)節(jié)，耗時(shí)T4；

5）各個(gè)關(guān)節(jié)執(zhí)行指令，器械處理時(shí)延T5；

6）從以上整個(gè)端到端時(shí)延分析可知，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延T3只是其中一部分，還有其他設(shè)備內(nèi)部的傳輸和處理時(shí)延開銷。

結(jié)論4：在設(shè)備未經(jīng)優(yōu)化的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)只能解決一部分時(shí)延敏感度在秒級(jí)左右的應(yīng)用，秒級(jí)以下的時(shí)延敏感度還需要對(duì)設(shè)備及工業(yè)傳輸協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人未來可應(yīng)用于危機(jī)處理及涉及危險(xiǎn)操作的工業(yè)，例如炸彈威脅、高壓電流、輻射、空氣污染、細(xì)菌、有害磁場(chǎng)等行業(yè)。5G提供的低時(shí)延高可靠網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)相比可以使時(shí)延性能得到提升。然而，網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延只是端到端時(shí)延其中的一部分，還有其他設(shè)備內(nèi)部的傳輸和處理時(shí)延開銷。在設(shè)備未經(jīng)優(yōu)化的情況下，5G網(wǎng)絡(luò)只能解決一部分時(shí)延敏感度在秒級(jí)左右的應(yīng)用，秒級(jí)以下的時(shí)延敏感度還需要對(duì)設(shè)備及工業(yè)傳輸協(xié)議進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。未來可以通過邊緣計(jì)算 [7] 以及切片網(wǎng)絡(luò) [8] 等5G特性對(duì)端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

編輯：hfy