張 濤，陳 章，王學(xué)謙，梁 斌

(1.清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京100084;2.清華大學(xué)深圳研究生院，深圳518055)

0 引言

隨著人類空間活動(dòng)的不斷發(fā)展，空間機(jī)器人的應(yīng)用越來越受到各國的重視.未來空間活動(dòng)中，將會進(jìn)行大量的空間生產(chǎn)、空間加工、空間裝配、空間維護(hù)和修理等在軌服務(wù)工作.早期的在軌服務(wù)主要是航天員利用航天飛機(jī)進(jìn)行操作.雖然取得了巨大成功，但艙外活動(dòng)給航天員的生命帶來了風(fēng)險(xiǎn).空間機(jī)器人的出現(xiàn)將航天員從危險(xiǎn)的太空環(huán)境中解放出來.然而，由于受到機(jī)器人機(jī)構(gòu)、智能水平的限制，目前，空間機(jī)器人任務(wù)主要通過遙操作方式來完成.

空間機(jī)器人的控制手段可分為自主控制和遙操作.自主控制的機(jī)器人能獨(dú)立地對外界環(huán)境進(jìn)行感知、判斷，并結(jié)合自身的任務(wù)進(jìn)行決策、規(guī)劃和控制.自主控制是將來空間機(jī)器人控制一個(gè)趨勢.然而，受限于當(dāng)前星上計(jì)算機(jī)水平及人工智能技術(shù)的發(fā)展，這種完全自主的空間機(jī)器人在很長一段時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn).另外，空間機(jī)器人所面對的復(fù)雜的太空環(huán)境往往是部分已知甚至是完全未知的，這種情況下無法對環(huán)境進(jìn)行預(yù)先建模，在控制時(shí)必須依靠人的參與來進(jìn)行判斷.尤其在一些精細(xì)作業(yè)中(如插拔螺栓等)，必須通過一些臨場感手段(視覺、力覺和觸覺等)將人納入控制回路才能保證任務(wù)的順利完成.

遙操作(teleoperation)從字面上可以理解為遠(yuǎn)距離操作.這一概念最早出現(xiàn)于1967年Johnson和Corles為NASA提供的技術(shù)報(bào)告“Teleoperator and Human Augmentation”.目前，對這一概念有多種不同的定義.Sheridan［1］將遙操作和遙操作機(jī)器人(telerobotics)分別定義為“遙操作是人的感知及操作能力在遙點(diǎn)的擴(kuò)展”和“遙操作機(jī)器人是遙操作的一種形式，操作員作為監(jiān)控者，間歇地與計(jì)算機(jī)通信，下發(fā)關(guān)于任務(wù)目標(biāo)、限制、計(jì)劃、意外情況、假設(shè)、建議等信息，獲得關(guān)于任務(wù)完成情況、困難、關(guān)系的信息和需要的傳感器原始數(shù)據(jù)，同時(shí)，遙操作機(jī)器人根據(jù)收到的指令，加上自己的人工感知和人工智能執(zhí)行任務(wù)”.Bejczy［2］對遙操作的定義是“由操作者遠(yuǎn)程控制，具備感知能力的機(jī)械臂或運(yùn)動(dòng)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)”.馮健翔等［3］對遙操作的定義是“遙操作是遠(yuǎn)距離操作，是在遠(yuǎn)方的人的行為動(dòng)作遠(yuǎn)距離作用下，使事物產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)變化”.

盡管各種定義字面存在差異，但其中本質(zhì)基本相同.可以認(rèn)為，遙操作的概念至少包括兩方面內(nèi)容:

1)操作者和被控對象之間存在距離限制和信息交互;

2)被控對象可以按操作者的意圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng).

目前中國正在大力發(fā)展航天技術(shù)，大量衛(wèi)星的維護(hù)和未來空間站的建立日益要求加快發(fā)展空間在軌服務(wù)技術(shù).由于空間自主的水平較低，遙操作在軌服務(wù)(tele-operational on-orbit servicing)是現(xiàn)階段的主流方式，有著巨大的研究意義和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值.本文對空間遙操作現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并對遙操作關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，最后進(jìn)行了展望.

1 空間遙操作技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 典型的空間機(jī)器人遙操作在軌實(shí)驗(yàn)

到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行了多個(gè)典型的在軌服務(wù)實(shí)驗(yàn)，其中有5個(gè)具有里程碑意義.第一個(gè)是航天飛機(jī)遙機(jī)械臂系統(tǒng)(SRMS，space shuttle remote manipulator system)［4］，它是第一個(gè)可操作的空間機(jī)器人系統(tǒng)，基于SRMS，加拿大又為國際空間站設(shè)計(jì)了空間站遙機(jī)械臂系統(tǒng)(SSRMS，space station remote manipulator system)［5］，相比 SRMS，SSRMS 擁有更高的定位精度，并具有冗余自由度，能進(jìn)行更為靈活的操作;第二個(gè)是德國的ROTEX［6-7］，它是第一個(gè)可從地面進(jìn)行遙操作的空間機(jī)器人，但它屬于艙內(nèi)機(jī)器人(IVR，inner vehicular robot);第三個(gè)是日本的ETSVII［8］，它是第一個(gè)艙外自由飛行空間機(jī)器人，具有地面遙操作和在軌自主控制的能力，完成了漂浮物體抓取、在軌可更換單元(ORU，orbital replacement unit)的更換和燃料補(bǔ)給、視覺監(jiān)測、目標(biāo)星操作與捕獲等實(shí)驗(yàn)，為空間服務(wù)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn);第四個(gè)里程碑是德國的ROKVISS［9］，它是第一個(gè)高逼真遙現(xiàn)方式控制的高性能輕型機(jī)器人;第五個(gè)里程碑是美國的 Orbital Express［10］，進(jìn)行了完全自主的在軌服務(wù).同時(shí)還有針對哈勃望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行的機(jī)器人在軌服務(wù)研究，以及歐洲開展的在軌服務(wù)的商業(yè)應(yīng)用.它們都是在軌服務(wù)的典型代表.最近NASA提出了在軌機(jī)器人進(jìn)行燃料重復(fù)加注試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)(RRM，robotic refueling mission).針對沒有采用可服務(wù)性設(shè)計(jì)的衛(wèi)星，通過地面或在軌人員遙操作，控制空間機(jī)器人進(jìn)行絕熱層切割、保護(hù)蓋的拆除、閥門的擰開、噴嘴的對接、燃料的泵注、保護(hù)蓋的重裝等一系列操作，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星燃料加注整個(gè)過程的模擬.整個(gè)過程運(yùn)用了4種不同的末端工具，而且體現(xiàn)了精細(xì)遙操作的思想.美國DARPA的鳳凰計(jì)劃則是目前正在進(jìn)行中的研究項(xiàng)目，首次提出了對功能失效衛(wèi)星的零部件進(jìn)行循環(huán)利用，利用空間機(jī)器人在軌集成新航天器的新思路.此外，一些星際探測活動(dòng)中，例如勇氣號、機(jī)遇號、好奇號等火星探測器，也通過遙操作的方式獲取了大量的火星表面數(shù)據(jù)信息［11］.中國的月球探測器“玉兔號”［11］中，遙操作也發(fā)揮了重要作用，為導(dǎo)航定位、月面地形重構(gòu)、路徑規(guī)劃和機(jī)械臂探測等活動(dòng)提供了技術(shù)支撐.表1給出了遙操作在典型在軌服務(wù)中的應(yīng)用.

1.2 研究技術(shù)現(xiàn)狀

在地球軌道或者深空中的連續(xù)遙操作受限于通信中的時(shí)間延遲(簡稱時(shí)延).時(shí)延的主要來源是信號傳輸時(shí)延、接收站或者中繼衛(wèi)星的處理時(shí)延等.低軌遙操作中的回路時(shí)延(從發(fā)出離散信號到接收到相應(yīng)的反饋信息所需要的時(shí)間)至少為0.4 s，月球遙操作中的回路時(shí)延一般為3 s，而火星探測器的回路時(shí)延大約為20 min.值得注意的是，空間遙操作的大時(shí)延并不是來自無線信號傳輸(火星探測器除外)，而是主要來自設(shè)備間通信鏈路的時(shí)延、數(shù)據(jù)處理時(shí)延以及計(jì)算時(shí)延.地球軌道中遙操作的回路時(shí)延大約為3～10 s［12-13］.在特殊情況下也可將回路時(shí)延控制在 0.5 s內(nèi)［14］.1962 年，F(xiàn)errel在視覺反饋存在時(shí)延的情況下，利用單邊系統(tǒng)進(jìn)行了第一個(gè)實(shí)驗(yàn).采用“移動(dòng)—等待”策略克服系統(tǒng)的不穩(wěn)定性.但是，這種方式是以降低系統(tǒng)的工作效率為代價(jià)，大部分時(shí)間花在等待上，而不是工作上.目前，主要有3種控制策略來解決系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題:雙邊控制策略［15-16］、圖形預(yù)測策略、監(jiān)督控制策略(如圖1所示).雙邊控制策略是利用控制算法消除時(shí)延的影響.圖形預(yù)測策略和監(jiān)督控制策略將時(shí)延排除在控制回路之外，也就不存在穩(wěn)定性的問題.其中，圖形預(yù)測策略將控制回路在主端進(jìn)行閉環(huán)，而監(jiān)督控制策略將控制回路在從端進(jìn)行閉環(huán).根據(jù)雙邊控制策略、圖形預(yù)測策略及監(jiān)督控制等自身的特點(diǎn)，他們分別被應(yīng)用在不同的遙操作任務(wù)中(如圖2所示).

表1 典型的在軌服務(wù)任務(wù)Tab.1 Typical on-orbit service missions

圖1 遙操作控制策略Fig.1 Strategy of teleoperation

圖2 遙操作模式及其應(yīng)用Fig.2 Application of different teleoperation mode

空間機(jī)器人遙操作中的時(shí)延問題非常具有挑戰(zhàn)性，并且是一個(gè)研究的熱點(diǎn)方向.目前存在很多解決空間時(shí)延的方法，并成功地應(yīng)用于空間機(jī)器人的遙操作中，盡管有一些是實(shí)驗(yàn)室條件下的測試.但是，單獨(dú)的方法往往是不夠的，應(yīng)該包含并結(jié)合其中最好的技術(shù)［17］.

2 遙操作在軌服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖形預(yù)測仿真技術(shù)

三維圖形預(yù)測仿真即預(yù)測顯示(predictive display)是大時(shí)延遙操作中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù).預(yù)測顯示被認(rèn)為是能夠補(bǔ)償大時(shí)延影響的唯一手段.預(yù)測顯示的基本思想是基于系統(tǒng)模型，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和控制輸入，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并以圖形的方式顯示給操作員.預(yù)測顯示分為兩種類型:一種是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間導(dǎo)數(shù)，利用控制輸入通過泰勒級數(shù)進(jìn)行外推;另一種是建立系統(tǒng)運(yùn)行的仿真模型，在模型中融合系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)、導(dǎo)數(shù)以及控制輸入，然后讓仿真系統(tǒng)以比實(shí)際過程快得多的速度運(yùn)行［18］.該技術(shù)的主要應(yīng)用如下.

(1)實(shí)現(xiàn)臨場感交互界面

該技術(shù)可以通過實(shí)現(xiàn)自然的操作方式和提供環(huán)境狀態(tài)的臨場感顯示實(shí)現(xiàn)遙現(xiàn)目標(biāo).另外，通過合成手段復(fù)現(xiàn)操作手狀態(tài)，可以減少對傳輸帶寬的要求和克服實(shí)際觀察手段的限制.

(2)作為先進(jìn)的仿真工具

將虛擬環(huán)境同預(yù)測技術(shù)相結(jié)合，可以進(jìn)行預(yù)測顯示.一方面，根據(jù)遙操作指令和操作器的模型，預(yù)測顯示遙控指令的結(jié)果.另一方面，根據(jù)接收到的遙測信號和控制指令流，在預(yù)定周期內(nèi)進(jìn)行預(yù)測外推.預(yù)測外推的結(jié)果最終在虛擬環(huán)境中顯示給操作員，從而使操作員獲得操作器和操作環(huán)境的直觀信息.進(jìn)而可以進(jìn)行連續(xù)的規(guī)劃，增強(qiáng)對當(dāng)前操作狀態(tài)和決策規(guī)劃結(jié)果的判斷能力，以增強(qiáng)遙操作的平穩(wěn)性和連續(xù)性.預(yù)測外推是用操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真得到的.

(3)利用合成技術(shù)進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示

在實(shí)際操作環(huán)境下，利用傳感器獲得操作環(huán)境的狀態(tài)信息是有限的.利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過虛擬環(huán)境進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，可以提高觀察的靈活性和觀察能力.例如，在插孔實(shí)驗(yàn)中，為了通過位置控制完成精細(xì)的插孔操作，必須使操作員在插孔過程中對機(jī)械手末端狀態(tài)有準(zhǔn)確地判斷.但是限于實(shí)際的攝像觀察手段，很難滿足要求.通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示，可以將觀察點(diǎn)置于插孔中，對孔內(nèi)環(huán)境進(jìn)行放大顯示，從而有助于操作員進(jìn)行精細(xì)操作.

圖形仿真應(yīng)用于空間機(jī)器人遙操作包括3個(gè)階段:離線的任務(wù)分析和規(guī)劃(off-line task analysis and planning)，操作員培訓(xùn)(operator training)和在線執(zhí)行任務(wù)(on-line task execution).為了保證遠(yuǎn)端真實(shí)任務(wù)環(huán)境和虛擬環(huán)境的一致性，采用了可靠的相機(jī)標(biāo)定和對象定位算法.另外，保證高仿真度一般可以采用以下方法:1)精確的三維模型;2)精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型;3)可靠的相機(jī)校正和對象定位;4)使用相同的控制軟件驅(qū)動(dòng)本地仿真機(jī)器人和遠(yuǎn)端真實(shí)機(jī)器人.

2.2 雙邊力反饋控制技術(shù)

雙邊力反饋技術(shù)是解決空間遙操作大時(shí)延問題的另一個(gè)重要方法，與圖形預(yù)測仿真相比有以下優(yōu)點(diǎn):1)不要求遠(yuǎn)端操作環(huán)境為結(jié)構(gòu)化和已知的環(huán)境，從而擴(kuò)大了力反饋雙邊控制遙操作的適應(yīng)性;2)力反饋雙邊控制在通信線路中傳送數(shù)據(jù)，從而降低了對通信帶寬的要求;3)力反饋雙邊控制具有較高的可靠性和安全性，把從手與環(huán)境的作用力直接反作用于操作者，讓操作者對從手的受力情況有一個(gè)直接的了解，然后再決定下一步的動(dòng)作.它相當(dāng)于把人的智能直接加入控制回路，從而保證其可靠性和安全性.但是，力反饋方法面臨的主要問題是由通信時(shí)延引起的穩(wěn)定性和透明性問題［19］.

為了解決時(shí)延帶來的穩(wěn)定性問題，很多學(xué)者進(jìn)行了卓有成效的研究.目前的研究思路主要集中在通過無源性理論、現(xiàn)代控制理論、滑模變結(jié)構(gòu)控制方法、基于事件的方法等幾種途徑.

基于無源性理論的方法是在電路網(wǎng)絡(luò)二端口理論基礎(chǔ)上發(fā)展而來的.通過將遙操作控制系統(tǒng)與二端口電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行類比，可以得出，由于通信環(huán)節(jié)中存在時(shí)延，從而破壞了系統(tǒng)的無源性.為了消除時(shí)延給系統(tǒng)無源性帶來的影響，Anderson 和 Spong［20］、Niemeyer和Slotine［21-22］等人分別提出了散射變換法和波變量法.散射變換法利用特定的控制律對通信環(huán)節(jié)的時(shí)延進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的通信環(huán)節(jié)與無損的傳輸線等效，從而保證了其無源性.波變量法則是從另一個(gè)角度出發(fā)，在主端和從端均引入波變換環(huán)節(jié)，使得在通信環(huán)節(jié)傳輸?shù)男盘柌皇撬俣?力信號而是波變量信號.并且，從能量輸入輸出的角度證明，波變量將時(shí)延引起的功率以能量的形式存儲在系統(tǒng)中，并保證了系統(tǒng)的無源性.基于波變量法的遙操作控制系統(tǒng)如圖3所示，其中，m與md為主端速度信息與從端速度指令，fs與fsd為從端力與主端力指令信號，b為波阻，T1、T2為通信時(shí)延，um、us、vm與vs為波變量.

圖3 波變量控制系統(tǒng)Fig.3 Wave variable bilateral control

其波變換方程為:

雖然形式不一樣，但散射變換法與波變量法被證明在本質(zhì)上是相同的.由于波變量法對任意時(shí)延都具有穩(wěn)定性，因此，基于散射變換和波變量法的遙操作技術(shù)得到了深入地研究.Niemeyer對圖3所示的波變量遙操作控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析.認(rèn)為該控制回路中存在3個(gè)通道:主端阻尼通道、波反射通道和從端反饋信號通道.波反射通道中的信號會對控制產(chǎn)生不良影響，需要消除.Niemeyer在主從雙端各增加比例環(huán)節(jié)進(jìn)行阻抗匹配來消除波反射現(xiàn)象［23］.

不論是散射變換方法還是波變量方法，在通信環(huán)節(jié)中均未進(jìn)行位置信號的傳輸.由于沒有精確的位置信號來進(jìn)行控制以及瞬態(tài)響應(yīng)、數(shù)值舍入誤差等因素的存在，可能導(dǎo)致發(fā)生主端與從端位置不一致的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為位置漂移.為了消除位置漂移，需要將位置信息在主從雙端進(jìn)行傳輸.Niemeyer［23］提出了一種波積分的思想，在發(fā)送端將波變量與波積分聯(lián)合，在接收端對混合信號進(jìn)行分離.由于波積分包含了位置信息，因此利用該信息可消除主從端位置上的偏差.波積分的傳輸過程如圖4所示，其中與即為波積分.Chopra 等［24］也提出了另一種思路來消除位置漂移.一方面對速度信號進(jìn)行散射變換;另一方面，主從雙端均將精確的位置信號發(fā)送至對方以進(jìn)行比例控制.

圖4 波積分Fig.4 Wave integrals

以上都是針對的固定時(shí)延情況.與固定時(shí)延不同的是，當(dāng)通信環(huán)節(jié)為變時(shí)延時(shí)，傳輸?shù)男盘枙a(chǎn)生失真的現(xiàn)象(拉伸或壓縮).散射變量或波變量的失真可能引入額外的能量，從而導(dǎo)致系統(tǒng)的無源性遭到破壞［25］.Lozano 等［26］提出了一種方法對過剩的能量進(jìn)行耗散，最終保證系統(tǒng)的無源性，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中，g1、g2為耗散環(huán)節(jié)，T1、T2為時(shí)延.能夠證明，當(dāng)耗散環(huán)節(jié)滿足一定條件時(shí)，信號通道是無源的.值得注意的是，這種方法需要已知時(shí)延變化率的上界.

Ryu等［27-29］認(rèn)為，傳統(tǒng)的基于無源性理論的遙操作由于是在頻域上進(jìn)行的分析，必須采用固定阻尼設(shè)計(jì)以確保系統(tǒng)在任意操作下的無源性，這樣將使系統(tǒng)變得過于保守，從而犧牲了系統(tǒng)的操縱性.為解決此問題，Ryu提出了時(shí)域無源性控制器的概念.時(shí)域無源控制器是一種基于實(shí)時(shí)監(jiān)測的自適應(yīng)方法，由無源觀測器和無源控制器組成.無源觀測器監(jiān)測端口輸入輸出能量的動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)檢測到系統(tǒng)的無源性遭到破壞時(shí)，無源控制器進(jìn)行阻抗的調(diào)整以對多余的能量進(jìn)行耗散.這種方法只有在需要的時(shí)候才進(jìn)行無源性控制，因此保守性較低;它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不依賴于模型，適用性較強(qiáng).

圖5 變時(shí)延遙操作Fig.5 Time-varying delay teleoperation

考慮到人的感知與操縱特性，Tanner等［30-33］將遙操作系統(tǒng)與環(huán)境的交互劃分為操作帶和感知帶.操作帶是雙向的，包含低頻的運(yùn)動(dòng)和力信號;感知帶是單向的，向操作者反映人類易于感知的高頻信號.通過這種方式，系統(tǒng)的操作性能得到了提高.

為了利用一個(gè)主端手控器對協(xié)作抓取的多個(gè)從端機(jī)器人進(jìn)行遙操作控制，Lee和Li等［34-35］提出了無源性分解的概念，將從端的機(jī)器人在關(guān)節(jié)速度空間進(jìn)行分解，分解后的兩個(gè)子系統(tǒng)分別為輪廓系統(tǒng)(shape system)和封閉系統(tǒng)(locked system).在兩個(gè)系統(tǒng)分別進(jìn)行遙操作控制器的設(shè)計(jì).Lee證明了當(dāng)這兩個(gè)子系統(tǒng)的控制律滿足一定的條件時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)是無源的.

為了獲得更好的臨場感，Lawrence［36］提出了四通道控制方法.四通道結(jié)構(gòu)在主端和從端均進(jìn)行力和位置信號的傳輸，在沒有時(shí)延的情況下能達(dá)到理想的透明性.如圖6所示，其中，Zh、Ze為操作員與環(huán)境的阻抗，Zm、Zs為主從阻抗，C1～C6為控制參數(shù)，F(xiàn)h與Fe分別為操作力與環(huán)境作用力，Vs為從端速度.

圖6 四通道結(jié)構(gòu)Fig.6 Four-channel bilateral control

四通道結(jié)構(gòu)的提出為人們提高遙操作系統(tǒng)的透明性提供了一個(gè)重要的指導(dǎo)方向和依據(jù)，但它沒有考慮真實(shí)情況中存在的時(shí)延，因此很多人以四通道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)一步進(jìn)行了研究.Liu和Tavakoli［37-38］等分別用動(dòng)態(tài)逆控制器和自適應(yīng)控制器代替圖6中的控制器C1、Cm、C4和Cs，以對非線性從端進(jìn)行控制并對模型的不確定性誤差進(jìn)行補(bǔ)償.考慮到基于無源理論的波變量等方法對延遲的穩(wěn)定性，Aziminejad等［39-40］提出了將四通道與波變量控制相結(jié)合的方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中各參數(shù)的定義與圖6相同.

圖7 四通道與波變量相結(jié)合Fig.7 Combination of four-channel and wave variable

基于現(xiàn)代控制理論的遙操作控制算法大都利用了H∞理論或μ綜合方法［41-42］，采用這種方法時(shí)，將時(shí)延看作系統(tǒng)的擾動(dòng)進(jìn)行處理.與無源性方法相比，H∞理論所能處理的時(shí)延更短，一般是1 s以內(nèi)，且只能處理有界時(shí)延的情況.

Park等［43-45］將滑?？刂品椒☉?yīng)用到雙邊遙操作中，在從端采用滑模觀測器和控制器對機(jī)器人進(jìn)行控制，在主端依舊采用阻抗控制，利用滑?？刂茖?shù)的魯棒性補(bǔ)償通信環(huán)節(jié)時(shí)延帶來的不利影響.當(dāng)然，滑?？刂谱陨淼母哳l振蕩等特性也會給遙操作帶來問題.

中科院的席寧等［46-51］提出了一種全新的解決遙操作時(shí)延問題的思路，稱為基于事件的方法.在這種控制方法中，引入一個(gè)不同于時(shí)間的新的物理量代替時(shí)間作為運(yùn)動(dòng)參變量.該變量根據(jù)傳感信息和控制過程進(jìn)行實(shí)時(shí)更新.由于繞開了時(shí)間因素，基于事件的遙操作在時(shí)延下總能保持穩(wěn)定性.但這類方法的難點(diǎn)在于找到一個(gè)合適的參變量.參變量不同時(shí)，系統(tǒng)的透明性、操縱性等性能都會存在很大的差異.

2.3 地面驗(yàn)證技術(shù)

由于航天發(fā)射與在軌維修所需費(fèi)用十分昂貴，必須保證航天器在軌工作的成功.因此，發(fā)射前必須進(jìn)行實(shí)際的測試，理想情況下利用真實(shí)的硬件和軟件來確保航天器的正常運(yùn)行.遙操作分系統(tǒng)作為空間機(jī)器人的操作端，需要和盡量真實(shí)的空間機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)合試驗(yàn)，以保證遙操作分系統(tǒng)正常工作.因此，采用硬件在回路中的方式，開發(fā)了空間機(jī)器人試驗(yàn)臺來進(jìn)行物理驗(yàn)證和星載驗(yàn)證［52-53］.

目前，存在幾種技術(shù)來模擬零重力環(huán)境，如氣浮、水浮、磁懸浮和自由落體，然而只有氣浮方式最有效.水浮被用來進(jìn)行航天員培訓(xùn)，它不適合試驗(yàn)航天器.自由落體可以完成三維環(huán)境下的零重力模擬，但是只能維持幾秒的短暫時(shí)間.磁浮系統(tǒng)只能提供一個(gè)小范圍的低力/力矩動(dòng)力學(xué)環(huán)境.氣浮方式已證明為航天器仿真的有用技術(shù)，但是只能進(jìn)行二維平面的運(yùn)動(dòng).

在對空間機(jī)器人遙操作進(jìn)行地面驗(yàn)證中，關(guān)鍵要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)的建模與實(shí)時(shí)仿真、機(jī)械臂末端物理運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證、空間機(jī)械臂星載處理器的驗(yàn)證和遙操作通信鏈路時(shí)延、帶寬等特性的模擬.其中，動(dòng)力學(xué)建模的經(jīng)典方法包括“虛擬機(jī)械臂”［54］或“動(dòng)力學(xué)等價(jià)機(jī)械臂”［55-56］等，仿真時(shí)可以采用基于Adams［57］的虛擬樣機(jī)方案或 Dymola［58］多領(lǐng)域統(tǒng)一模型的仿真.空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)采用運(yùn)動(dòng)學(xué)等效原理，利用工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行物理驗(yàn)證，驗(yàn)證空間機(jī)械手的末端運(yùn)動(dòng)并獲得手眼相機(jī)的圖像.實(shí)驗(yàn)時(shí)可與天上下傳的手眼相機(jī)的圖像進(jìn)行對比.星載驗(yàn)證是設(shè)計(jì)星載模擬器對載荷計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，保證上傳的運(yùn)動(dòng)指令在軌能按規(guī)劃的時(shí)序進(jìn)行運(yùn)動(dòng).星載模擬器的硬件、軟件及相關(guān)接口與星載處理器完全一致，簡單地說是星載處理器的備份件，其電氣接口、計(jì)算能力與星載處理器的完全一致.通信鏈路模擬可以完成遙操作閉環(huán)通信鏈路的模擬，包括時(shí)延、帶寬等通信鏈路特性.上述方法可實(shí)現(xiàn)對遙操作系統(tǒng)充分的驗(yàn)證，保證遙操作任務(wù)順利完成.

3 結(jié)論與展望

遙操作擴(kuò)展了人在遙端操作物體的能力，進(jìn)一步提高了人與機(jī)器人的交互以及機(jī)器人與環(huán)境的交互能力.前者的意義在于由人去實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非確定環(huán)境中難以做到的規(guī)劃和決策，后者的意義在于由機(jī)器人去完成人所不能達(dá)到的惡劣環(huán)境下(深海、空間、高溫、輻射、毒害和戰(zhàn)場等)的作業(yè)任務(wù).

傳統(tǒng)的手動(dòng)雙邊遙操作方式(較小的時(shí)延，一般小于1 s)和基于監(jiān)督控制的方式(時(shí)延可到幾秒)這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，互為補(bǔ)充.監(jiān)督方式指操作員在地面或者較舒適的臨近空間環(huán)境進(jìn)行工作，監(jiān)督低智能的遙機(jī)器人，并在需要時(shí)或者發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行操作.監(jiān)督方式的優(yōu)點(diǎn)是:存在時(shí)延的情況下也能快速完成任務(wù);可自主、快速地響應(yīng)突發(fā)事件;在連續(xù)的位置和力控制中具有更高的精度;可以連續(xù)執(zhí)行長時(shí)間的任務(wù)且不需要操作員連續(xù)關(guān)注.而手動(dòng)遙操作更為靈活，尤其對于復(fù)雜任務(wù)或突發(fā)、不可預(yù)測的機(jī)械故障，手動(dòng)遙操作是必不可少的.

大時(shí)延遙操作是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，尤其在空間機(jī)器人的操作中還存在通信帶寬窄、控制能力差等特點(diǎn)，使得空間機(jī)器人遙操作更加困難.人們針對時(shí)延問題提出了很多解決方案，從純雙邊控制到遙端具有一定的自主性，然而進(jìn)行的實(shí)際應(yīng)用很少.由于沒有建立統(tǒng)一的命名術(shù)語，使得很難進(jìn)行比較.

哈勃望遠(yuǎn)鏡的成功修復(fù)充分驗(yàn)證了在軌服務(wù)的重要作用，通過替換故障部件延長了航天器的壽命，并通過安裝采用新技術(shù)的部件提高了航天器的性能.空間自主在軌服務(wù)技術(shù)也憑借它成本低、風(fēng)險(xiǎn)小、軍事利用價(jià)值高等特點(diǎn)，成為了空間技術(shù)領(lǐng)域新的研究與發(fā)展方向.但目前由于智能水平的限制，從在軌維修方面考慮遙操作技術(shù)是比較現(xiàn)實(shí)的發(fā)展方向.

近20年來的空間遙操作機(jī)器人實(shí)驗(yàn)表明，自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了較高水平，可以用來輔助或者代替航天員進(jìn)行大量的工作.空間機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為外太空開發(fā)以及空間站、衛(wèi)星、其他平臺操作和維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，可以縮減開支并將航天員從危險(xiǎn)的工作中解放出來.未來的空間活動(dòng)和在軌服務(wù)中，智能機(jī)器人技術(shù)將用來輔助或執(zhí)行不同的空間任務(wù).但是我們沒有必要等到機(jī)器人達(dá)到完全的自主和智能才開展空間任務(wù)，因?yàn)橐蕾嚞F(xiàn)在的遙操作技術(shù)就能將機(jī)器人變?yōu)椤叭祟愂直墼谔罩械难由臁?到目前為止的在軌操作都是由航天員直接完成，由于人類在太空中時(shí)間和地點(diǎn)的限制，只有在軌服務(wù)的主體由人轉(zhuǎn)變?yōu)檫b操作機(jī)器人時(shí)，遙操作才能成為普遍應(yīng)用的技術(shù).由于空間機(jī)器人所面對的復(fù)雜的太空環(huán)境往往是部分已知甚至是完全未知的，這種情況下無法對環(huán)境進(jìn)行預(yù)先建模，在控制時(shí)必須依靠人的參與來進(jìn)行判斷.尤其是在一些精細(xì)作業(yè)中(如插拔螺栓等)，必須通過一些臨場感手段(視覺、力覺和觸覺等)將人納入到控制回路才能保證任務(wù)的順利完成.因此，雖然自主控制一方面取得發(fā)展，但人在控制中的作用也是不可代替的，總而言之，空間機(jī)器人控制技術(shù)的發(fā)展趨勢如圖8所示.

圖8 遙操作技術(shù)發(fā)展趨勢Fig.8 Trend of the teleoperation technology

未來航天員在軌服務(wù)和機(jī)器人在軌服務(wù)由于側(cè)重點(diǎn)不同都會得到發(fā)展，并在未來的空間活動(dòng)中發(fā)揮更大的作用.對機(jī)器人在軌服務(wù)來說，常規(guī)的在軌服務(wù)，如燃料加注、模塊單元替換，可以高度自主的執(zhí)行，但仍然需要操作員進(jìn)行監(jiān)督并在異常情況出現(xiàn)時(shí)利用遙操作進(jìn)行恢復(fù).概括起來，未來的空間遙操作將有如下的發(fā)展趨勢:

1)在遙操作中利用靈巧手或者工具適配器以適應(yīng)多種任務(wù);

2)利用多通道、高逼真度的臨場感技術(shù)提高遙操作的效率;

3)結(jié)合本地三維重構(gòu)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化空間環(huán)境中的遙操作;

4)利用多人操作或多機(jī)協(xié)同遙操作提高對空間大型航天器的在軌服務(wù)能力.

［1］SHERIDAN T B.Teleoperation，telerobotics and telepresence:A progress report［J］.Control Engineering Practice，1995，3(2):205-214.

［2］BEJCZY A K.Toward advanced teleportation in space［C］//Progress in Astronautics and Aeronautics.Washington，D.C.:AIAA，1994:161.

［3］馮健翔，盧昱.遙科學(xué)初探［J］.飛行器測控學(xué)報(bào)，2000，19(1):5-11.

［4］BELAND S，DUPUIS E，DUNLOP J，等.加拿大的空間機(jī)器人——從國際空間站的靈敏作業(yè)機(jī)器人到行星探測機(jī)器人［J］.控制工程，2001(2):22-29.

［5］GIBBS G，SACHDEV S.Canada and the international space station program:overview and status［J］.Acta Astronautica，2002，51(1):591-600.

［6］BRUNNER B，HIRZINGER G，LANDZETTEL K，et al.Multisensory shared autonomy and tele-sensor-programming-key issues in the space robot technology experiment ROTEX［C］//Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.New York:IEEE，1993:2123-2139.

［7］HIRZINGER G，BRUNNER B，DIETRICH J，et al.Sensor-based space robotics-ROTEX and its telerobotic features［J］.IEEE Transaction on Robotics and Automation，1993，9(5):649-663.

［8］IMAIDA T，YOKOKOHJI Y，DOI T，et al.Groundspace bilateral teleoperation of ETS-VII robot arm by direct bilateral coupling under 7s time delay condition［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，2004，20(3):499-511.

［9］ALBU-SCHAFFER A，BERTLEFF W，REBELE D，et al.ROKVISS-robotics component verification on ISS current experimental results on parameter identification［C］//2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2006:3879-3885.

［10］劉進(jìn)軍.軌道快車——衛(wèi)星拯救者［J］.衛(wèi)星電視與寬帶多媒體，2007，21:40-42.

［11］吳偉仁，周建亮，王保豐，等.嫦娥三號“玉兔號”巡視器遙操作中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國科學(xué):信息科學(xué)，2014，44(4):425-440.WU W R，ZHOU J L，WANG B F，et al.Key technologies in the teleoperation of Chang'E-3“Jade Rabbit”rover［J］.Scientia Sinica Information，2014，44(4):425-440.

［12］SHERIDAN T B.Space teleoperation through time delay:review and prognosis［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1993，9(5):592-606.

［13］ODA M.System engineering approach in designing the teleoperation system of the ETS-VII robot experiment satellite［C］//1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1997:3054-3061.

［14］CARSTEN P D.Robotics component verification on ISS ROKVISS-preliminary results for telepresence［C］//Proceedings of the 2006 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.New York:IEEE，2006:4595-4601.

［15］陳俊杰.空間機(jī)器人遙操作克服時(shí)延影響的研究進(jìn)展［J］.測控技術(shù)，2007，26(2):1-5.CHEN J.Research headway of overcoming time-delay infection for teleoperation of space robot［J］.Measurement＆ Control Technology，2007，26(2):1-5.

［16］NIEMEYER G，SLOTINE J E.Telemanipulation with time delays［J］.The International Journal of Robotics Research，2004，23(9):873-890.

［17］PREUSCHE C.Telerobotics［M］.Springer Berlin Heidelberg:Springer Handbook of Robotics，2008:741-757.

［18］王學(xué)謙，梁斌，李成，等.自由飛行空間機(jī)器人遙操作三維仿真系統(tǒng)研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2009，30(1):402-408.WANG X，LIANG B，LI C，et al.Study on three dimensional predictive simulation system of teleoperation for free flying space robot［J］.Journal of Astronautics，2009，30(1):402-408.

［19］鄧啟文，韋慶，李澤湘.大時(shí)延力反饋雙邊控制系統(tǒng)［J］.機(jī)器人，2005，27(5):410-413.DENG Q W，WEI Q，LI Z X.Force-reflection bilateral control system with large time delay［J］.Robot，2005，27(5):410-413.

［20］ANDERSON R J，SPONG M W.Bilateral control of teleoperators with time delay［J］.IEEE Transactions on Automatic Control，1989，34(5):494-501.

［21］NIEMEYER G，SLOTINE J J E.Stable adaptive teleoperation［J］.IEEE Journal of Oceanic Engineering，1991，16(1):152-162.

［22］NIEMEYER G.Using wave variables in time delayed force reflecting teleoperation［D］.Cambridge:Massachusetts Institute of Technology，1996.

［23］NIEMEYER G，SLOTINE J J E.Using wave variables for system analysis and robot control［C］//1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1997:1619-1625.

［24］CHOPRA N，SPONG M W，ORTEGA R，et al.On tracking performance in bilateral teleoperation［J］.IEEE Transactions on Robotics，2006，22(4):861-866.

［25］HOKAYEM P F，SPONG M W.Bilateral teleoperation:an historical survey［J］.Automatica，2006，42(12):2035-2057.

［26］LOZANO R，CHOPRA N，SPONG M.Passivation of force reflecting bilateral teleoperators with time varying delay［C］//Proceedings of the 8 Mechatronics Forum.New York:IEEE，2002:964-962.

［27］RYU J，KWON D，HANNAFORD B.Stable teleoperation with time-domain passivity control［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，2004，20(2):365-373.

［28］RYU J，ARTIGAS J，PREUSCHE C.A passive bilateral control scheme for a teleoperator with time-varying communication delay［J］.Mechatronics，2010，20(7):812-823.

［29］JEE-HWAN R，PREUSCHE C.Stable bilateral control of teleoperators under time-varying communication delay:time domain passivity approach［C］//2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2007:3508-3513.

［30］TANNER N A，NIEMEYER G.Online tuning of wave impedance in telerobotics［C］//2004 IEEE Conference on Robotics，Automation and Mechatronics.New York:IEEE，2004:7-12.

［31］TANNER N A，Niemeyer G.Practical limitations of wave variable controllers in teleoperation［C］//2004 IEEE Conference on Robotics，Automation and Mechatronics.New York:IEEE，2004:25-30.

［32］TANNER N A，NIEMEYER G.Improving perception in time delayed teleoperation［C］// 2005 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2005:354-359.

［33］TANNER N A，NIEMEYER G.Stabilization through gyration:a wave variable approach to high frequency force feedback in telerobotics［C］//The 14thSymposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems.New York:IEEE，2006:153-159.

［34］LEE D，LI P Y.Passive coordination control of nonlinear bilateral teleoperated manipulators［C］.IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2002:3278-3283.

［35］LEE D，LI P Y.Passive bilateral feedforward control of linear dynamically similarteleoperated manipulators［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，2003，19(3):443-456.

［36］LAWRENCE D A.Stability and transparency in bilateral teleoperation［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1993，9(5):624-637.

［37］LIU X，TAVAKOLI M.Adaptive control for linearly and nonlinearly parameterized dynamic uncertainties in bilateral teleoperation systems［C］//2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2011:1329-1334.

［38］LIU X，TAVAKOLI M.Inverse dynamics-based adaptive control of nonlinear bilateral teleoperation systems［C］//2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2011:1323-1328.

［39］AZIMINEJAD A，TAVAKOLI M，PATEL R V，et al.Wave-based time delay compensation in bilateral teleoperation:two-channel versus four-channel architectures［C］//American ControlConference. New York:IEEE，2007:1449-1454.

［40］AZIMINEJAD A，TAVAKOLI M，PATEL R V，et al.Stability and performance in delayed bilateral teleoperation:Theory and experiments［J］.Control Engineering Practice，2008，16(11):1329-1343.

［41］STRASSBERG Y，GOLDENBERG A A，MILLS J K.A new control scheme for bilateral teleoperating systems:Lyapunov stability analysis［C］//1992 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1992:837-842.

［42］LEUNG G M H，F(xiàn)RANCIS B A，APKARIAN J.Bilateral controller for teleoperators with time delay via μsynthesis［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation，1995，11(1):105-116.

［43］JONG H P，HYUN C C.Sliding-mode controller for bilateral teleoperation with varying time delay［C］//1999 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.New York:IEEE，1999:311-316.

［44］PARK J H，Cho H C.Sliding mode control of bilateral teleoperation systems with force-reflection on the Internet［C］//2000 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.New York:IEEE，2000:1187-1192.

［45］HYUN C C，JONG H P，KYUNGHWAN K，et al.Sliding-mode-based impedance controller for bilateral teleoperation under varying time-delay［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，2001:1025-1030.

［46］XI N，TARN T J.Action synchronization and control of Internet based telerobotic systems［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1999:219-224.

［47］王清陽，席寧，王越超.利用混雜Petri網(wǎng)對基于事件的機(jī)器人遙操作系統(tǒng)建模研究［J］.機(jī)器人，2002，24(5):399-403.WANG Q，XI N，WANG Y.Modeling of robot teleoperation based on event using hybrid petri nets［J］.Robot，2002，24(5):399-403.

［48］王清陽，席寧，王越超.基于謂詞不變性的狀態(tài)反饋控制在機(jī)器人遙操作中的應(yīng)用［J］.機(jī)器人，2003，25(5):428-431.WANG Q，XI N，WANG Y.State feedback of predicate-invariance for robot teleoperation ［J］. Robot，2003，25(5):428-431.

［49］王清陽.機(jī)器人遙操作預(yù)測控制新方法及實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(23):260-261.WANG Q.A new measure to handle the problem of time-delay in telerobot system［J］.Microcomputer Information，2008，24(23):260-261.

［50］陳丹，席寧，王越超，等.廣義預(yù)測控制方法在網(wǎng)絡(luò)遙操作機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(3):191-196.CHEN D，XI N，WANG Y，et al.Generalized predictive control scheme for the internet-based telerobot control system［J］.Journal of Mechanical Engineering，2009，45(3):191-196.

［51］陳丹，席寧，王越超，等.網(wǎng)絡(luò)遙操作系統(tǒng)中基于事件的預(yù)測控制策略［J］.控制理論與應(yīng)用，2010，27(5):623-626.CHEN D，XI N，WANG Y，et al.Event-based predictive control strategy for teleoperation via internet［J］.Control Theory ＆ Applications，2010，27(5):623-626.

［52］王學(xué)謙，梁斌，徐文福，等.空間機(jī)器人遙操作地面驗(yàn)證技術(shù)研究［J］.機(jī)器人，2009，31(1):8-14.WANG X，LIANG B，XU W，et al.Ground-based verification technology for teleoperation of space robot［J］.Robot，2009，31(1):8-14.

［53］徐文福，梁斌，李成，等.空間機(jī)器人微重力模擬時(shí)延系統(tǒng)研究綜述［J］.機(jī)器人，2009，31(1):88-96.XU W，LIANG B，LI C，et al.A review on simulated micro-gravity experiment systems of space robot［J］.Robot，2009，31(1):88-96.

［54］VAFA Z，DUBOWSKY S.On the dynamics of manipulators in space using the virtual manipulator approach［C］//1987 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1987:579-585.

［55］LIANG B，XU Y，BERGERMAN M.Dynamically equivalent manipulator for space manipulator system:part 1［C］//Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York:IEEE，1997:2765-2770.

［56］LIANG B，XU Y，BERGERMAN M，et al.Dynamically equivalent manipulator for space manipulator system:part 2［C］//Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robot and Systems.New York:IEEE，1997:1493-1499.

［57］徐文福，強(qiáng)文義，梁斌，等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的空間機(jī)器人系統(tǒng)的建模與仿真［J］.機(jī)器人，2005，27(3):193-196.XU W，QIANG W，LIANG B，et al.Modeling and simulation of space robot system based on virtual prototyping technology［J］.Robot，2005，27(3):193-196.

［58］XU W，LIU Y，LIANG B，et al.Unified multi-domain modelling and simulation of space robot for capturing a moving target［J］.Multibody System Dynamics，2010，23(3):293-331.