文/ 遲惑
機(jī)械臂對(duì)于空間操作有著重要的意義,但它歸根到底也是要人來(lái)操作的。艙內(nèi)的航天員和艙外的機(jī)械臂之間隔著一道氣密的艙壁,系統(tǒng)的復(fù)雜性、移動(dòng)性以及直接觀察的困難性,使得遙控機(jī)器人操作成為一項(xiàng)特別具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。國(guó)際空間站在這20多年的運(yùn)行中,嘗試了多種自主控制、手動(dòng)控制的策略,發(fā)現(xiàn)不同機(jī)械臂的艙內(nèi)工作站,其控制和顯示設(shè)計(jì)的通用性,對(duì)于提高操作性能和減少出錯(cuò)的可能性至關(guān)重要。
美國(guó)宇航局在長(zhǎng)期運(yùn)行和使用中,總結(jié)出了一些設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn),為航天員能把空間機(jī)器人系統(tǒng)用好、用穩(wěn),提供了有價(jià)值的參考。
美國(guó)宇航局認(rèn)為,空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)旨在優(yōu)化人類控制和自動(dòng)控制活動(dòng),包括:軌跡和運(yùn)動(dòng)限制;避碰算法;自動(dòng)安全方案;力矩調(diào)節(jié);自動(dòng)化、地面和乘員控制的綜合程序。
加拿大臂2與“右手”的組合
優(yōu)化國(guó)際空間站機(jī)器人系統(tǒng)操作員界面的設(shè)計(jì),是提升操作員表現(xiàn)、減少出艙活動(dòng)需求、規(guī)避操作期間潛在人為錯(cuò)誤的關(guān)鍵。主要考慮因素包括工作站位置和設(shè)計(jì),包括協(xié)助操作員固定身體、不發(fā)生飄移的機(jī)構(gòu);系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的圖形用戶界面通用性;在飛船靠泊任務(wù)期間,保持安全進(jìn)近和充分提供對(duì)接走廊基準(zhǔn)線提示;空間意識(shí)挑戰(zhàn);集成輔助計(jì)算機(jī)圖形顯示器,以用來(lái)增強(qiáng)操作員的全局態(tài)勢(shì)感知能力,等等。
首先,工作站的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮應(yīng)急情況。這時(shí)候,必須安排一套硬件,允許操作員緊急干預(yù),特別是制動(dòng),不能再一層一層操作軟件來(lái)停止機(jī)械手臂運(yùn)行。此外,許多故障情況可能導(dǎo)致便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)無(wú)法工作,所以要訓(xùn)練操作人員通過手動(dòng)控制器來(lái)操作機(jī)械臂,避免手動(dòng)控制過程中出現(xiàn)意外或錯(cuò)誤命令的可能性。操作員在工作臺(tái)時(shí)的姿勢(shì)穩(wěn)定性和舒適性要適合超過7個(gè)小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間操作。
考慮到這樣的需求,加拿大臂2和JEMRMS的艙內(nèi)控制工作站采用了非常相似的構(gòu)型,都以便攜式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作為中心;設(shè)置了兩個(gè)手動(dòng)控制器,每個(gè)提供3個(gè)自由度的操作,位于計(jì)算機(jī)屏幕附近。位于工作站左側(cè)的手動(dòng)控制器提供平移操縱器控制(前/后、左/右、上/下)。右側(cè)的手控制器提供操縱器末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)控制(俯仰、偏航、滾動(dòng))。
每個(gè)工作站都能顯示多個(gè)攝像頭的視圖,還提供了與每個(gè)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的攝像機(jī)的硬件開關(guān)。
加拿大臂2的艙內(nèi)控制臺(tái)
航天員在操作加拿大臂2
國(guó)際空間站是國(guó)際合作項(xiàng)目,所以必須為不同國(guó)家、不同母語(yǔ)的乘員設(shè)計(jì)易于理解的圖形用戶界面、圖標(biāo)和程序。為此,各國(guó)相關(guān)科研部門開發(fā)了相應(yīng)乘員顯示器、參考圖和其他圖形參考資料。機(jī)器人程序中使用的術(shù)語(yǔ)和圖形必須與相應(yīng)顯示器上使用的術(shù)語(yǔ)和圖形完全匹配。
加拿大臂2的最大負(fù)載是116噸
其中,機(jī)器人關(guān)節(jié)、節(jié)段的位置和姿態(tài)信息必須和圖形顯示完全一致。 關(guān)節(jié)按其在操縱器中的物理位置排列,從底座開始。從圖形左側(cè)開始,每個(gè)主要組件的顯示順序與實(shí)際操縱器硬件上的順序相同。手臂上還要給出“底座”和“尖端”的標(biāo)簽,這對(duì)于能夠 “爬行”的機(jī)械手來(lái)說尤其重要。顯示器上還要能體現(xiàn)基座位置狀況、關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)、末端效應(yīng)器/工具狀態(tài)、有效載荷標(biāo)識(shí)等。
加拿大臂2運(yùn)行期間,所有的攝像頭圖像都需要在監(jiān)控之下
瞭望艙里的加拿大臂2控制臺(tái)
各種顯示符號(hào)和圖形顏色都是根據(jù)行業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的,每種顏色都有特定的操作含義。機(jī)器人系統(tǒng)顯示器上使用的一些關(guān)鍵顏色是紅色、黃色和橙色。紅色用于提醒操作員立即注意機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),以避免潛在的災(zāi)難性事件。黃色表示超出限制條件或保證操作員注意機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以避免時(shí)間損失。橙色表示機(jī)器人手臂或硬件正在運(yùn)動(dòng),或準(zhǔn)備進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。它還用于通知操作員,當(dāng)選擇相應(yīng)的硬件開關(guān)時(shí),該開關(guān)將引起運(yùn)動(dòng)。
加拿大臂2支持艙外活動(dòng)
顏色不能作為識(shí)別組件或子系統(tǒng)狀態(tài)的唯一手段。因此還需要用標(biāo)簽、遙測(cè)圖標(biāo)或其他圖形變動(dòng)來(lái)引起操作員的注意。
每一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的顯示都被賦予一個(gè)特定背景色,用來(lái)和相應(yīng)文字內(nèi)容相匹配。比如說,由于“右手”具有兩個(gè)相同的操縱器臂,常規(guī)“右手”頁(yè)面采用灰色背景,而一號(hào)臂和二號(hào)臂的特定操縱頁(yè)面分別為粉色和綠色。
為了應(yīng)對(duì)緊急情況,還設(shè)計(jì)了一些專用指示燈,它們平時(shí)沒有動(dòng)作,一旦激活就意味著要出大問題。例如,一個(gè)SSRMS注意指示器用于警告操作員,即將發(fā)生自碰撞,也就是說機(jī)器人的一個(gè)部分與另一個(gè)部分非常接近,如果運(yùn)動(dòng)沒有停止,就會(huì)發(fā)生碰撞。盡管自主控制軟件在設(shè)計(jì)上是可以防止這種事情的,但系統(tǒng)還是會(huì)提醒操作員注意,免得出意外。為了確保能夠引起操作員注意,指示燈的顏色變化和閃爍頻率都需要經(jīng)過精心設(shè)計(jì)。
國(guó)際空間站上用于裝配和維護(hù)操作的許多機(jī)械系統(tǒng)需要精確對(duì)準(zhǔn)。在對(duì)接和靠泊操作期間,操作員必須保持安全通道,以防止元件、有效載荷或機(jī)械手本身與周圍結(jié)構(gòu)接觸。條件更苛刻的是所謂“操作走廊”,例如把飛船精確對(duì)接到對(duì)接口上。為此攝像機(jī)位置和安裝精度必須考慮到熱、振動(dòng)和壓力影響。操作過程中,寧可慢一點(diǎn)也要確保精確。
空間站外部的光照和陰影條件與地球上完全不同,而且地球背景有時(shí)候會(huì)干擾觀察,對(duì)人和自動(dòng)傳感系統(tǒng)造成困擾。所以需要對(duì)地球背景做預(yù)先建模,用于訓(xùn)練自動(dòng)操作系統(tǒng)和操作員。實(shí)踐證明這一方法非常有效。機(jī)械手上的關(guān)鍵狀態(tài)指示器可以為操作員提供決策參考,如“準(zhǔn)備好鎖定”微動(dòng)開關(guān)就可以確認(rèn)是不是可以進(jìn)行最終機(jī)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)了。
人在天上,沒有地面上那種上下左右的概念,所以對(duì)于空間位置的理解要重新訓(xùn)練,人人如此,操作一個(gè)機(jī)械臂更是難上加難。航天員必須把自己充分放進(jìn)機(jī)械臂本身的坐標(biāo)系里,而不是自己身體的坐標(biāo)系,操作員必須了解臂尖或有效載荷將沿哪個(gè)軸移動(dòng),以及圍繞空間中的哪個(gè)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。為此,機(jī)械臂設(shè)計(jì)了多個(gè)坐標(biāo)系來(lái)支持手動(dòng)操作,并生成數(shù)字位置和姿態(tài)顯示。這個(gè)系統(tǒng)的基本元素是分辨率框(FOR)、顯示框和命令框。FOR定義操縱器或附加有效負(fù)載的三維位置(x、y、z)和姿態(tài)(俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn))。顯示框是用于計(jì)算和顯示位置和姿態(tài)的參考坐標(biāo)系。當(dāng)手動(dòng)模式下使用手控制器時(shí),命令框確定手臂/連接的有效負(fù)載的運(yùn)動(dòng)方向。
選擇所需的坐標(biāo)系和顯示框架,是決定機(jī)器人任務(wù)難度的一個(gè)因素,航天員需要長(zhǎng)期訓(xùn)練才能掌握。
加拿大臂的訓(xùn)練模擬
末端效應(yīng)器正在瞄準(zhǔn)目標(biāo)
操作員的態(tài)勢(shì)感知,主要依賴于機(jī)械臂上的各個(gè)攝像頭和傳感器數(shù)據(jù),但是這些信息未必夠用。而且攝像頭畢竟不是人類自己的眼睛,好幾個(gè)攝像頭的圖像一起傳來(lái),可能會(huì)使人判斷錯(cuò)誤。所以,航天員們有時(shí)候也會(huì)利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)觀看機(jī)械臂的運(yùn)行狀態(tài)。
即使采用了相當(dāng)多的先進(jìn)技術(shù),人們發(fā)現(xiàn),航天員的長(zhǎng)期反復(fù)訓(xùn)練也是不可替代的。特別是在軌飛行期間,航天員也要經(jīng)常訓(xùn)練自己使用機(jī)械臂,地面上的模擬訓(xùn)練無(wú)法替代真實(shí)的空間環(huán)境。