空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證平臺(tái)

王雪竹，李洪誼 ，王越超 ，陽(yáng)方平 ，陳 鵬，余 飛，李貴祥

（1中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110016；2中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100101）

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，太空探測(cè)活動(dòng)越來(lái)越頻繁，任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜。受限于惡劣的太空環(huán)境，很多空間任務(wù)不能由航天員直接完成。空間遙操作能夠代替航天員為空間站等太空設(shè)備提供維修、更換部件等服務(wù)，以及進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在空間探索方面具有巨大的應(yīng)用前景。

上世紀(jì)90年代以來(lái)，美國(guó)、日本、加拿大和歐洲紛紛展開(kāi)空間機(jī)器人的遙操作技術(shù)研究。1993年德國(guó)DLR實(shí)驗(yàn)室的空間機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)ROTEX搭載“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)進(jìn)入太空，操作者在視覺(jué)反饋和地面預(yù)測(cè)仿真輔助下使用6自由度控制球?qū)哂卸鄠鞲衅鞯目臻g機(jī)器人進(jìn)行遙操作，系統(tǒng)分別在航天員遙操作模式和地面遙操作模式下完成插拔軌道可更換單元（ORU）、捕獲自由漂浮物等任務(wù)[1]。1997年日本NASDA發(fā)射裝載空間機(jī)器人的ETS-VII實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，進(jìn)行了一系列遙操作試驗(yàn)，文獻(xiàn)[2]構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定的雙邊控制器，試驗(yàn)驗(yàn)證了7s通信時(shí)延下使用直接雙邊控制完成遙操作任務(wù)的可行性，以及力反饋對(duì)遙操作的重要性。文獻(xiàn)[3]為解決通信時(shí)延，提出一種基于模型的混合力和運(yùn)動(dòng)命令的遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)建模誤差具有魯棒性，并使用視覺(jué)反饋和虛擬預(yù)測(cè)顯示輔助操作者。2005年德國(guó)在國(guó)際空間站上安裝了ROKVISS空間機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)，在不同控制模式進(jìn)行遙操作試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證模塊化機(jī)器人以及遙現(xiàn)技術(shù)在太空維護(hù)和修理中的可行性[4]。

我國(guó)不少著名院校和科研院所于上世紀(jì)90年代開(kāi)始先后開(kāi)展了遙操作機(jī)器人技術(shù)的研究，一些研究機(jī)構(gòu)計(jì)劃于1996年開(kāi)始將遙操作技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)加以研究。在目前沒(méi)有真實(shí)空間遙操作系統(tǒng)的情況下，各科研單位均采取搭建地面驗(yàn)證平臺(tái)的方法對(duì)遙操作技術(shù)方案進(jìn)行探索和驗(yàn)證[5]。

空間遙操作面臨的最大問(wèn)題是星地鏈路間的大通信時(shí)延帶來(lái)的系統(tǒng)穩(wěn)定性、透明度變差。目前小時(shí)延條件下遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明度易達(dá)到良好效果，但抖動(dòng)大時(shí)延條件下仍有待進(jìn)一步的研究。針對(duì)特定遙操作任務(wù)的特殊性能要求如何實(shí)現(xiàn)也很值得探索。本文搭建空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證平臺(tái)，設(shè)計(jì)雙邊PD控制算法以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，綜合視覺(jué)反饋、力反饋方法提高系統(tǒng)透明度，在抖動(dòng)大時(shí)延條件下為空間遙操作提供一套可行的技術(shù)方案。

圖1 遙操作系統(tǒng)平臺(tái)示意圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

搭建的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證平臺(tái)如圖1所示，圖中左邊是主端，即地面控制中心，由上位機(jī)、力反饋手柄、控制面板、虛擬現(xiàn)實(shí)界面和圖像顯示界面組成。右邊是從端，即空間實(shí)驗(yàn)中心，由上位機(jī)、機(jī)器人及其控制器、目標(biāo)任務(wù)板、六維力傳感器和相機(jī)組成。主從端之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.1 從端（空間試驗(yàn)中心）

2.1.1機(jī)器人分系統(tǒng)

使用ABB公司生產(chǎn)IRB120機(jī)器人作為從手。IRB120是六軸工業(yè)機(jī)器人，其工作范圍為580mm，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足試驗(yàn)系統(tǒng)要求。配套的IRC5控制器用于給機(jī)器人供電并直接控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)電機(jī)，該控制器連接一個(gè)示教器作為人機(jī)交互界面，可以用來(lái)手動(dòng)或編程操作機(jī)器人。

系統(tǒng)使用從端上位機(jī)控制機(jī)器人分系統(tǒng)。上位機(jī)和控制器之間可以通過(guò)串行通道和以太網(wǎng)進(jìn)行通信，為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接。ABB公司提供了軟件開(kāi)發(fā)包PC SDK，用于在上位機(jī)中開(kāi)發(fā)適合自己需求的控制器接口。借助該軟件開(kāi)發(fā)包可實(shí)現(xiàn)以下功能：搜索網(wǎng)絡(luò)，查找所在局域網(wǎng)內(nèi)的所有機(jī)器人控制器；讀寫(xiě)控制器內(nèi)部程序的變量；讀取機(jī)器人機(jī)械單元狀態(tài)，包括機(jī)器人末端位置姿態(tài)、各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等；讀寫(xiě)機(jī)器人IO單元狀態(tài)；開(kāi)始、停止控制器內(nèi)部程序模塊；創(chuàng)建、保存、載入、重命名和刪除控制器內(nèi)部文件；發(fā)送、接收控制器信息；等等。

在機(jī)器人末端安裝一個(gè)氣動(dòng)手爪作為夾持器，將手爪的信號(hào)線連接至控制器內(nèi)的IO模塊，即可通過(guò)控制IO模塊的輸出來(lái)控制手爪的開(kāi)合。

2.1.2任務(wù)板

機(jī)器人作業(yè)可分為自由運(yùn)動(dòng)（無(wú)約束運(yùn)動(dòng)）和接觸作業(yè)，接觸作業(yè)可分解為抓取、插孔、施加壓力、表面滑動(dòng)等基本動(dòng)作。為測(cè)試遙操作系統(tǒng)的操作性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)用的目標(biāo)任務(wù)板。任務(wù)板包含三個(gè)任務(wù)模塊：插孔任務(wù)模塊，滑槽任務(wù)模塊和斜坡跟蹤任務(wù)模塊，可基本滿足各種試驗(yàn)需求。

2.1.3力覺(jué)測(cè)量分系統(tǒng)

采集機(jī)器人作業(yè)時(shí)的力覺(jué)信息并傳送給主端操作者，可以獲得更好的操作性能，尤其是在接觸作業(yè)中。使用ATI公司生產(chǎn)的六維力傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)器人和環(huán)境的接觸力。六維傳感器可以采集三個(gè)方向的力和力矩信息。

力傳感器系統(tǒng)由傳感部件、接口電源盒和PCI卡構(gòu)成。其中，傳感部件將力和力矩信息轉(zhuǎn)換為應(yīng)變模擬信號(hào)，PCI卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)提供給上位機(jī)，接口電源盒為二者提供電源和通信連接。

由于六維力傳感器安裝在機(jī)器人末端（第6軸）上，因而測(cè)得的力和力矩信息是在機(jī)器人末端坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)。而在實(shí)際應(yīng)用中，使用手柄控制機(jī)器人末端的位置和姿態(tài)角，其中位置是相對(duì)于機(jī)器人基坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)，姿態(tài)角是相對(duì)于末端基準(zhǔn)坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)（末端基準(zhǔn)坐標(biāo)系以機(jī)器人末端位置為原點(diǎn)，平行于機(jī)器人基坐標(biāo)系），因此需要將末端坐標(biāo)系下的力和力矩信息變換至末端基準(zhǔn)坐標(biāo)系再反饋給操作者。運(yùn)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算得到機(jī)器人末端坐標(biāo)系相對(duì)于基坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，即為末端坐標(biāo)系相對(duì)于末端基準(zhǔn)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。于是得到力和力矩計(jì)算公式：

式中，F(xiàn)和T為末端基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的力和力矩，F(xiàn)sensor和Tsensor為傳感器測(cè)得的力和力矩。

2.1.4視覺(jué)測(cè)量分系統(tǒng)

在機(jī)器人周?chē)惭b環(huán)境相機(jī)，采集現(xiàn)場(chǎng)圖像并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)往主端，給操作者提供視覺(jué)信息。

在機(jī)器人末端安裝手眼相機(jī)，相機(jī)朝向與末端工具指向保持一致。在任務(wù)板旁邊固定有標(biāo)志器，用于配合手眼相機(jī)定位。當(dāng)標(biāo)志器在手眼相機(jī)視野內(nèi)時(shí)，可通過(guò)圖像處理將標(biāo)志器信息提取出來(lái)，計(jì)算得到手眼相機(jī)當(dāng)前的位姿數(shù)據(jù)，包括相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。相對(duì)位置為標(biāo)志器坐標(biāo)系原點(diǎn)在相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)，用（x，y，z）表示，相對(duì)姿態(tài)為標(biāo)志器坐標(biāo)系相對(duì)于相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系的歐拉角（按ZY-X 順序變換），用（α，β，γ）表示，則標(biāo)志器坐標(biāo)系相對(duì)于相機(jī)測(cè)量坐標(biāo)系的變換矩陣為：

式中，s是sin的簡(jiǎn)寫(xiě)，c是cos的簡(jiǎn)寫(xiě)。

利用該手眼相機(jī)的圖像信息和位姿數(shù)據(jù)，可以在主端輔助人的操作，在從端用來(lái)實(shí)時(shí)得到任務(wù)目標(biāo)相對(duì)于機(jī)器人末端的位姿，引導(dǎo)機(jī)器人自主完成任務(wù)。

2.2 主端（地面控制中心）

2.2.1操作臺(tái)

操作臺(tái)由兩個(gè)作為系統(tǒng)主手的操作手柄和一個(gè)控制面板組成。

操作手柄用于讀取人手（手柄）位置信息來(lái)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。將機(jī)器人和環(huán)境的接觸力通過(guò)手柄傳遞給操作者能夠提高遙操作系統(tǒng)的透明度，因此使用帶力反饋的手柄Falcon和Omega3。從端機(jī)器人具有六個(gè)自由度，而Falcon和Omega3均為三自由度力反饋手柄，因此將機(jī)器人末端的位置姿態(tài)進(jìn)行分解，位置用（x，y，z）表示，姿態(tài)用歐拉角（α，β，γ）表示，然后用兩個(gè)手柄分別控制位置和姿態(tài)，從而控制六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。手柄和主端上位機(jī)之間通過(guò)USB口連接，調(diào)用相應(yīng)SDK進(jìn)行編程即可讀取人手位置和生成反饋力。

控制面板上有若干按鍵開(kāi)關(guān)，用于設(shè)置主端和從端的位置、姿態(tài)角的比例，控制自動(dòng)/手動(dòng)切換等?？刂泼姘鍍?nèi)部的單片機(jī)不斷掃描面板上各開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，并以一定頻率發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行處理。

2.2.2視覺(jué)顯示分系統(tǒng)

視覺(jué)顯示分系統(tǒng)包括視頻圖像顯示界面和虛擬現(xiàn)實(shí)界面。

視頻圖像顯示界面在主端屏幕上顯示從端相機(jī)拍攝的圖像信息，給操作者視覺(jué)反饋。系統(tǒng)中模擬了空間遙操作主從端通信的時(shí)延，設(shè)主端至從端時(shí)延為T(mén)1，從端至主端時(shí)延為T(mén)2，則主端得到的圖像和數(shù)據(jù)是從端對(duì)主端（T1+T2）時(shí)間之前指令的響應(yīng)。通信時(shí)延使得從端的運(yùn)動(dòng)狀況不能及時(shí)反饋到主端，給操作者帶來(lái)直覺(jué)錯(cuò)誤和操作錯(cuò)覺(jué)，因此僅靠視頻圖像反饋難以達(dá)到良好的操作性能，需要虛擬現(xiàn)實(shí)作為補(bǔ)充。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基于從端環(huán)境模型和機(jī)器人模型，根據(jù)主端的當(dāng)前操作預(yù)測(cè)并顯示從端未來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀況，給出從端機(jī)器人的偽實(shí)時(shí)響應(yīng)，能夠顯著提高系統(tǒng)的透明度。然而普通的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供2D圖像，操作者難以精確判定物體的深度，同時(shí)觀看多個(gè)角度2D圖像對(duì)操作者負(fù)擔(dān)較大。而3D顯示技術(shù)可以提供具有景深的圖像，提高觀察準(zhǔn)確度[6]，因此使用3D顯示技術(shù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)顯示。

采用偏振三維技術(shù)搭建3D投影，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)生成的3D圖像信號(hào)同時(shí)輸出到兩臺(tái)性能參數(shù)完全相同的投影機(jī)中，通過(guò)裝在投影機(jī)鏡頭前方的偏振鏡片進(jìn)行水平和垂直方向上的濾光，實(shí)現(xiàn)圖像分離，再通過(guò)偏光眼鏡從左右眼分別觀看水平和垂直方向上的影像，在人眼中形成影像疊加，通過(guò)雙眼的會(huì)聚功能實(shí)現(xiàn)3D視覺(jué)效果。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主從端程序架構(gòu)

在搭建系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)相關(guān)控制程序，如圖2所示。主端控制程序在主端上位機(jī)上運(yùn)行，其任務(wù)是接收手柄和控制面板的輸入，經(jīng)遙操作算法處理后發(fā)給從端和虛擬現(xiàn)實(shí)分系統(tǒng)，并將從端反饋的力信息經(jīng)算法處理后發(fā)給手柄。從端控制程序在從端上位機(jī)上運(yùn)行，其任務(wù)是接收主端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的操作指令，經(jīng)遙操作算法處理后發(fā)給機(jī)器人控制器，并將從端的力信息和機(jī)器人狀態(tài)信息反饋給主端；當(dāng)收到主端自動(dòng)運(yùn)行命令時(shí)，則接收手眼相機(jī)傳來(lái)的位姿信息，依此信息指示機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。在主從端的網(wǎng)絡(luò)通信中，使用緩沖區(qū)延遲數(shù)據(jù)發(fā)送，人為模擬抖動(dòng)大時(shí)延。

圖2 控制程序框圖

3.2 遙操作算法

為了克服主從端之間通信時(shí)延對(duì)操作性能的影響，采用雙邊控制，即主端將操作者的運(yùn)動(dòng)指令發(fā)給從端，控制從手運(yùn)動(dòng)，同時(shí)從端將從手與環(huán)境的作用力反饋給主端，給操作者臨場(chǎng)感。研究證明雙邊控制系統(tǒng)能夠比非雙邊控制系統(tǒng)更快更好地完成遙操作任務(wù)[2]。但在該系統(tǒng)中，主從端位于一個(gè)閉環(huán)回路，二者之間的通信時(shí)延會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明度。因此采用雙邊PD控制算法，在雙邊控制系統(tǒng)的主端和從端各加入一個(gè)比例微分（PD）控制器，使用雙端口網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)穩(wěn)定性判據(jù)選擇控制器參數(shù)以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

據(jù)此設(shè)計(jì)通信時(shí)延環(huán)節(jié)的模型如下：

式中，x和xS分別為主、從端的位置，fm是手柄反饋給操作者的力，fS是從手和環(huán)境之間的作用力，Km和KS分別為主、從端的位置增益，Dm和DS分別為主、從端的阻尼增益，T1和T2是通信時(shí)延，Mm和MS分別為主、從端的廣義質(zhì)量系數(shù)，Bm和BS分別為主、從端的廣義阻尼系數(shù)。

由式（3）和式（4）可以得到雙端口網(wǎng)絡(luò)模型如下：

式中，Vm和VS分別為主、從端的速度，

式（5）所示的雙端口網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由絕對(duì)穩(wěn)定性條件（如式（6）所示）判斷。因此，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)使其滿足式（6）即可保證遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)

選擇適當(dāng)參數(shù)構(gòu)建如式（3）和式（4）所示的雙邊PD控制系統(tǒng)，使?jié)M足式（6）絕對(duì)穩(wěn)定性條件，其中T1和T2均為1.5s～3s的變時(shí)延。構(gòu)建仿真試驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

雙邊PD控制系統(tǒng)下的主從端位置、力仿真曲線如圖4所示，圖中藍(lán)色曲線為期望曲線，綠色曲線為跟蹤曲線。主從端不加PD算法時(shí)的位置、力仿真曲線如圖5所示。由此可以得到如下結(jié)論：

1）該算法能保證時(shí)延系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且對(duì)于大時(shí)延及抖動(dòng)的情況下，系統(tǒng)也能穩(wěn)定。

2）在抖動(dòng)時(shí)延的條件下，如果主、從端不加算法，力和位置信號(hào)很雜亂，存在嚴(yán)重的抖動(dòng)，可操作性差。添加算法之后，跟蹤效果得到顯著改善，說(shuō)明算法的有效性。

4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

按照?qǐng)D3所示方案進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，系統(tǒng)回路時(shí)延為3s～5s變時(shí)延。x、y、z三個(gè)方向的主從端的位置曲線、力曲線分別如圖6、圖7所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)是穩(wěn)定的，位置和力都能較好的跟隨。圖中主從端曲線形狀并未完全重合是因?yàn)閷?shí)際試驗(yàn)中主從端的速度和力并不是按照1∶1進(jìn)行跟隨，而是通過(guò)控制面板按鍵調(diào)節(jié)主從端速度和力的比例關(guān)系，以適應(yīng)作業(yè)任務(wù)需求。大比例便于機(jī)器人在較大空間內(nèi)自由活動(dòng)，小比例便于在接觸作業(yè)時(shí)精確控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

使用該驗(yàn)證平臺(tái)順利完成了滑槽、斜坡、插孔等試驗(yàn)任務(wù)，試驗(yàn)照片如圖8所示。在虛擬現(xiàn)實(shí)圖像和視頻圖像的輔助下，操作者通?？稍诮佑|孔附近平面后10s內(nèi)完成插孔任務(wù)，插孔圓棒和孔的配合間隙為0.5mm。完成各項(xiàng)任務(wù)時(shí)最大接觸力小于80N，機(jī)器人末端在接觸面上緩慢滑動(dòng)時(shí)不會(huì)被彈開(kāi)，操作手感良好。

圖3 雙邊PD算法仿真框圖

圖4 雙邊PD算法下主從端位置、力曲線

圖5 無(wú)雙邊PD算法下主從端位置、力曲線

圖6 主從端位置曲線

圖7 主從端力曲線

圖8 試驗(yàn)照片

5 結(jié)論

本文針對(duì)地空大通信時(shí)延下的空間遙操作問(wèn)題，搭建一個(gè)帶有視覺(jué)反饋、力反饋和3D虛擬現(xiàn)實(shí)顯示的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證平臺(tái)，為遙操作算法提供測(cè)試平臺(tái)。在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)雙邊PD控制算法，實(shí)現(xiàn)抖動(dòng)大時(shí)延下系統(tǒng)的穩(wěn)定。經(jīng)仿真和系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可提供良好的控制性能，操作者在3s～5s變時(shí)延條件下順利完成自由運(yùn)動(dòng)、插孔、斜坡跟蹤和槽內(nèi)滑動(dòng)等遙操作任務(wù)，驗(yàn)證了空間遙操作技術(shù)方案的可行性。

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