，，

(1.重慶交通職業(yè)學院，重慶 402247；2.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱150001；3.中國科學院深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055)

0 引言

一方面衛(wèi)星和空間站對于人類的生活影響日益增長，另一方面太空的惡劣環(huán)境和有限的燃料使得航天器壽命較短，因此在軌維護成為了重要的研究方向[1]。考慮到太空的惡劣環(huán)境和節(jié)約成本等因素，用空間機器人代替航天員執(zhí)行任務成為了近年來的研究熱點。然而，由于當前科技水平的限制，目前無法實現(xiàn)全自動的空間機器人。因此能夠在地面幫助人類操縱空間機器人的遙操作系統(tǒng)成為了當下的一個重要研究主題[2-9]。

近年來，各國都開展了空間機器人及其遙操作系統(tǒng)的研究。比如德國早在1993年做了空間機器人實驗(ROTEX)[7]，日本在1997年發(fā)射了ETS-7號衛(wèi)星，并在接下來的幾年也做了豐富的遙操作實驗[6]。這些實驗不僅驗證了空間目標捕獲和對接技術，還為未來空間站上的機械臂及其遙操作系統(tǒng)的設計積累了豐富的經(jīng)驗。除了日本的ETS-7號和德國的ROTEX成功完成實驗外，正在研制中的空間機器人還有美國的SUMO/FREND和歐空局的TECSAS/DEOS。

中國在過去的十年里也開展了空間機器人方面的實驗研究，并于2013年發(fā)射了試驗七號空間機器人實驗平臺，實驗目的是驗證在軌維護技術, 實驗系統(tǒng)由2個子系統(tǒng)組成，分別是在軌子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)[10]。本文以試驗七號為實驗平臺對其地面遙操作系統(tǒng)進行設計。

1 空間機器人實驗系統(tǒng)組成

1.1 在軌子系統(tǒng)

在軌子系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成，分別是自由漂浮平臺子系統(tǒng)、空間操作機器人子系統(tǒng)和目標衛(wèi)星子系統(tǒng)。其中空間操作機器人子系統(tǒng)由1個6自由度機械臂、手眼相機和2個手指構成?？臻g操作機器人子系統(tǒng)和目標衛(wèi)星子系統(tǒng)分別固連在自由漂浮平臺的相鄰2個平面上[5]，如圖1所示。

圖1 空間機器人在軌子系統(tǒng)

1.2 地面子系統(tǒng)

地面子系統(tǒng)包括遙操作子系統(tǒng)和遙測控子系統(tǒng)(TM/TC)。TM/TC是在軌子系統(tǒng)和遙操作子系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換的中樞，并且與地面遙操作子系統(tǒng)之間通過UDP組播的方式相連。TM/TC一面將在軌子系統(tǒng)上得到的遙測數(shù)據(jù)傳送給地面遙操作系統(tǒng)，另一方面又將地面遙操作數(shù)據(jù)以指令的形式發(fā)送給在軌子系統(tǒng)。同時還將對雙向傳送的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，地面子系統(tǒng)和在軌子系統(tǒng)的鏈接關系如圖2所示。

圖2 在軌子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)的鏈接關系

1.3 遙操作子系統(tǒng)

地面遙操作系統(tǒng)由圖像監(jiān)控軟件、預測仿真軟件、任務規(guī)劃軟件、操作手柄和操作者組成。

a.圖像監(jiān)控軟件。圖像監(jiān)控軟件通過UDP組播和遙測子系統(tǒng)相連，以4 Hz的頻率接收空間機器人的2個手眼相機和衛(wèi)星上一個全局相機所拍到的圖片，所有相機都使用黑白的CCD相機。圖像監(jiān)控軟件可以輔助操作者來判斷空間機器人的當前工作狀態(tài)是否良好，還可以和接收到的關節(jié)數(shù)據(jù)相互驗證并給操作者以直觀感受。

b.預測仿真軟件。預測仿真軟件通過TCP/IP協(xié)議與任務規(guī)劃軟件相連，并實時接收任務規(guī)劃發(fā)過來關節(jié)角度數(shù)據(jù)，通過實體模型和虛線模型分別顯示當前規(guī)劃關節(jié)角和接收的滯后關節(jié)角，以100 Hz的頻率進行刷新顯示。預測仿真軟件使用Open Inventor同時進行實時和超前碰撞檢測，并將碰撞檢測信息實時傳送給任務規(guī)劃軟件。

c.任務規(guī)劃軟件。任務規(guī)劃軟件通過UDP組播和TM/TC相連發(fā)，并通過TCP/IP和預測仿真軟件相連進行實時顯示和接收碰撞檢測結果，任務規(guī)劃軟件的功能為：關節(jié)空間或笛卡爾空間下的軌跡規(guī)劃功能；單關節(jié)鎖死時的容錯規(guī)劃功能；主從/雙邊遙操作功能；實時數(shù)據(jù)顯示與檢測；數(shù)據(jù)保存功能。

d.操作手柄。本系統(tǒng)選用Haption公司的Virtuose 6D35-45型力反饋設備作為主端操作手柄。手柄通過TCP/IP與任務規(guī)劃軟件相連，任務規(guī)劃軟件實時的讀取手柄的位置和姿態(tài)信息并通過坐標變換變換為空間機器人的位姿增量。

遙操作子系統(tǒng)的各部分鏈接關系如圖3所示。

圖3 遙操作子系統(tǒng)結構

2 遙操作子系統(tǒng)的設計與實驗

2.1 實時遙編程功能

由于衛(wèi)星軌道高度較低，相應的時間窗口較短，所以要實現(xiàn)在線自定義遙編程就需要快速判斷設計的路徑是否合理。“實時遙編程功能”中的“實時”指的是將規(guī)劃后的軌跡以10倍于正常運行的速度發(fā)送給預測仿真軟件并進行合理性驗證，如果軌跡設計合理則再向實際衛(wèi)星發(fā)送。

由于實際機械臂響應能力的限制，只有限制發(fā)送的關節(jié)角速度和角加速度在一定的范圍內才能保證實際機械臂的跟蹤精度。在給出終止位置和規(guī)劃時間后，任務規(guī)劃軟件會根據(jù)生成的數(shù)據(jù)計算運動過程中最大角速度和角加速度，如果超出實際機械臂的響應能力則給出提示并給出最小的規(guī)劃時間。然后再將驗證后的軌跡發(fā)送至空間機器人執(zhí)行。關節(jié)空間規(guī)劃包括從當前位置到安全位置，從安全位置到觀測起始位置。笛卡爾空間軌跡規(guī)劃包括從觀察起始位置到觀測終止位置的直線軌跡規(guī)劃和從圓弧軌跡規(guī)劃?；谟^測任務的直線軌跡規(guī)劃如圖4所示。

圖4 直線軌跡規(guī)劃

在笛卡爾空間下的起始坐標為(1.045 9, 0, 0.114 9)，終止坐標為(1.046, 0.6, 0.115)。在進行直線運動的過程中，末端姿態(tài)始終保持不變，其Z-Y-X歐拉角為(180, 0, 0)。圓弧軌跡規(guī)劃如圖5所示。

圖5 直線軌跡規(guī)劃

2.2 遙操作功能

當操作者進行觀測成像任務時，根據(jù)任務的不同可以分為3種操作模式。

2.2.1 位置控制模式

操作手控器時只能改變空間機械臂末端的位置。當操作者對遠處物體進行觀測的時候，希望盡可能保持姿態(tài)不變，而只改變手眼相機的位置。將當前的手柄位置設置為坐標原點，每250 ms將當前位置與原點位置做差得到增量向量。將增量向量通過坐標變換變換到空間機器人操作平面下，再將該增量累加到空間機器人的當前位置上。最后進行逆運動學計算得到空間機器人的關節(jié)角數(shù)據(jù)并發(fā)送。

2.2.2 姿態(tài)控制模式

操作手控器時只能改變空間機械臂末端的姿態(tài)。為了減少操作者的負擔，姿態(tài)控制采用提取角速度增量的方法來實現(xiàn)。按住手柄右鍵并旋轉，得到手控器角速度增量，按下手柄左鍵則清零角速度增量。將角速度增量通過坐標變換變換到空間機器人操作平面下不斷累加，再實時進行逆運動學計算得到關節(jié)角數(shù)據(jù)。

2.2.3 位姿控制模式

操作手控器時同時改變空間機械臂末端的位置和姿態(tài)。

遙操作系統(tǒng)具有主從和雙邊遙操作2種控制模式。因為空間機器人的機械臂沒有安裝力覺傳感器，所以遙操作的主端和從端之間只能相互傳遞關節(jié)的位置信息。這樣，在雙邊力反饋模式下，反饋力的計算只能根據(jù)主端輸入的笛卡爾位置和當前收到的從端位置的差值來計算，即

Fmc=Kf(xm-xsd)

(1)

Fmc是計算得到虛擬反饋力；Kf是比例系數(shù)；xm和xsd是任務規(guī)劃軟件在主端發(fā)送和接收的末端位置數(shù)據(jù)。

在非接觸環(huán)境下自由運動時，時延的大小和變化將以反饋力的形式傳遞給操作者,便于操作者根據(jù)時延大小實時調整手柄運動的速度。圖6和圖7顯示了在位置控制模式下執(zhí)行非接觸任務時的實驗，時延為7 s。

以上仿真實驗說明了空間機器人操作者可以根據(jù)時延大小實時調整手柄運動的速度，驗證了遙操作系統(tǒng)基于時延的雙邊力反饋功能的有效性。

圖6 發(fā)送和接收的位置數(shù)據(jù)

圖7 計算的虛擬反饋力

2.3 故障關節(jié)軌跡規(guī)劃

如果空間機器人在運行的過程中某個關節(jié)故障并鎖定在某一角度值，那么如何使其仍舊完成指定的觀測和抓捕任務，將是一個值得研究的問題。因此模擬了在2關節(jié)故障的情況下，通過容錯規(guī)劃保證固定姿態(tài)來完成觀測成像任務。實驗設計中使用數(shù)值逼近的方法在原軌跡規(guī)劃的每個中間點附近尋找能夠保證姿態(tài)變動較小的最近的點。比如要執(zhí)行沿著直線進行的觀測任務的軌跡，在進行這種處理后能夠得到在關節(jié)2故障下的規(guī)劃軌跡如圖8所示。

由圖8可以看到通過容錯規(guī)劃前后，X軸、Y軸上的軌跡不變，Z軸上的軌跡由直線變?yōu)榍€，總軌跡變?yōu)榍€。但因關節(jié)角不變，保持相同的姿態(tài)仍舊可以完成指定的觀測和抓捕任務。

如圖9所示，假設故障關節(jié)角度鎖定在-123.8°。在原始軌跡規(guī)劃下，關節(jié)2的初始角度從-120.21°變?yōu)?127.32°，變化比較大；而在容錯規(guī)劃下，關節(jié)2角度保持近似不變。作為故障軌跡規(guī)劃中最重要的優(yōu)化指標，關節(jié)角度變化越小，越能保證空間機器人以固定姿態(tài)完成觀測成像任務。

圖8 笛卡爾空間中的原始觀測軌跡與容錯規(guī)劃軌跡

圖9 關節(jié)2在原始規(guī)劃和容錯規(guī)劃下的角度變化

3 碰撞檢測實驗與額外時延法

在遙編程模式下，可以利用實時遙編程功能對路徑的合理性做充分的驗證以避免碰撞的發(fā)生。在遙操作模式下，由于人為操作帶有一定隨機性，因此實時的碰撞檢測更加重要。本系統(tǒng)的碰撞檢測功能是利用OpenInventor自帶的SoBoundingbox類和SoCollisionManager類實現(xiàn)的，其給每個導入的部件建立了包圍盒(OBB)。當檢測到碰撞時，3D預測仿真軟件以100 Hz的通信頻率向任務規(guī)劃軟件發(fā)送碰撞檢測信號。

為了增強碰撞檢測功能，在任務規(guī)劃和數(shù)據(jù)管理軟件向遙測中心發(fā)送時增加了0.25nds額外的時間延時。當預測模型沒能正確預測碰撞而使得當前規(guī)劃的軌跡點發(fā)生碰撞時，取出最先存入的沒有發(fā)生碰撞的指令來將隊列填滿，保證發(fā)出的指令都是遠離碰撞點的安全數(shù)據(jù)。這樣能夠在發(fā)生碰撞時，避免難以找到合適的方向操作機械臂末端從碰撞點離開的問題。額外的延時是由先入先出隊列組成，隊列中依次裝滿nd+1條即將發(fā)送的指令，其與遙操作子系統(tǒng)之間的關系如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)隊列和遙操作子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

當碰撞檢測發(fā)生時，隊列里面立即填滿最先進入的數(shù)據(jù)，這樣可以確保實際所發(fā)送的指令停止在預測模型與包圍盒碰撞之前，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)隊列和遙操作子系統(tǒng)數(shù)據(jù)流

當k時刻未檢測到碰撞時，隊列里即將出棧的是k-nd時刻數(shù)據(jù)，剛剛進棧的是當前的k時刻數(shù)據(jù)。此時，如果任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)管理軟件接收到了來自3D預測仿真軟件的碰撞檢測信號，說明k時刻的指令數(shù)據(jù)會引起碰撞，則立即用k-nd時刻未發(fā)生碰撞的數(shù)據(jù)將隊列填滿。碰撞檢測與額外時延的仿真如圖12所示。

圖12 碰撞檢測與額外時延法的仿真實驗

當預測仿真模型與衛(wèi)星本體包圍盒發(fā)生碰撞后立即回彈到0.25nds秒前未發(fā)生碰撞的安全位置，并且在任務規(guī)劃與數(shù)據(jù)處理軟件中給出發(fā)生碰撞的提示。該仿真實驗說明了在遙編程模式下，可以利用實時遙編程功能充分驗證路徑合理性，以此避免發(fā)生碰撞，驗證了碰撞檢測功能的有效性。

4 結束語

試驗七號空間機器人實驗平臺已于2013年發(fā)射升空，實驗任務包括基于手眼相機的自主捕獲技術和地面遙操作技術，為未來中國空間在軌維護任務和中國空間站機械臂的設計打下基礎。本文介紹了試驗七號空間機器人的地面遙操作系統(tǒng)的設計，也為未來空間站機器人的遙操作系統(tǒng)設計打下了實驗基礎，能幫助更多研究者快速、直觀、可靠地規(guī)劃空間機器人軌跡。