李 正,劉曉源,王紫陽,張 驍,李俊麟

1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110016 2.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院,沈陽 110169

0 引言

空間機(jī)器人是指在太空環(huán)境下進(jìn)行空間作業(yè)的機(jī)器人[1],可在地面工作人員輔助下替代宇航員在空間作業(yè)中執(zhí)行危險(xiǎn)或長期的空間任務(wù)[2]。隨著空間任務(wù)的多樣性和復(fù)雜化,對(duì)空間機(jī)器人天地協(xié)同和實(shí)時(shí)操作的交互要求越來越高,其遙科學(xué)的作用和地位也越來越重要[3-4]。遙科學(xué)是一種人在回路的遙操作與遙現(xiàn)場相結(jié)合的操作方式,充分發(fā)揮了地面與空間機(jī)器人交互能力,有效地利用人的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn),最大限度地參與到機(jī)器人任務(wù)中[5-7]。但是天地交互會(huì)引起通信的時(shí)延,空間遙操作系統(tǒng)回路的時(shí)延通?？蛇_(dá)幾秒甚至幾十分鐘[8],降低了空間機(jī)器人執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的控制實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。目前多采用延時(shí)預(yù)測控制律[8]、通信延時(shí)補(bǔ)償[9]、自適應(yīng)任務(wù)空間同步控制[10-11]和虛擬現(xiàn)實(shí)預(yù)測仿真等[12-14]手段克服時(shí)延帶來的不利影響。

中國空間站[15]科學(xué)手套箱內(nèi)放置有支撐生命科學(xué)精細(xì)操作的靈巧臂系統(tǒng),某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要航天員輔助及與地面天地協(xié)同開展遙科學(xué)。在開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)前,需要對(duì)靈巧臂任務(wù)開展預(yù)仿真推演和操作驗(yàn)證。本文探索了一種我國空間機(jī)器人的遙科學(xué)任務(wù)模式,以機(jī)器人語言遙編程和預(yù)仿真技術(shù)為手段,將靈巧臂任務(wù)分解為語言自動(dòng)化控制動(dòng)作的集合,由人規(guī)劃時(shí)間事件流,通過科學(xué)的組合實(shí)現(xiàn)任務(wù),形成可執(zhí)行后置代碼,上載到空間應(yīng)用系統(tǒng),再由航天員輔助和天地遙科學(xué)方式實(shí)現(xiàn)天地協(xié)同。在實(shí)際工程應(yīng)用中避免了天地傳輸實(shí)時(shí)控制指令帶來的時(shí)延問題,可實(shí)現(xiàn)靈巧臂在軌的自主性和任務(wù)自動(dòng)化,提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)執(zhí)行的效率,滿足靈巧臂工程任務(wù)可靠性與便捷性的遙科學(xué)要求。

1 遙科學(xué)交互原理

遙科學(xué)用于從遠(yuǎn)距離實(shí)施空間科學(xué)研究工作。主要由地面、空間和通信網(wǎng)絡(luò)3部分構(gòu)成?！暗孛妗笔怯扇?、遙操作平臺(tái)及預(yù)仿真驗(yàn)證平臺(tái)組成,可以開展遙操作和遙現(xiàn)場。由人作為主體對(duì)空間機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、過程驗(yàn)證和任務(wù)執(zhí)行觀察。其中遙操作可以由人機(jī)界面進(jìn)行控制,也可以由力反饋控制器手柄[16-17]等裝置進(jìn)行控制,遙現(xiàn)場可采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)遙現(xiàn)空間真實(shí)的現(xiàn)場。“空間”由空間應(yīng)用信息系統(tǒng)及空間機(jī)器人系統(tǒng)組成,可接收來自地面的控制指令及任務(wù),按指令要求完成任務(wù)?！巴ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)”是天地通信的鏈路,它的帶寬和時(shí)延對(duì)遙科學(xué)系統(tǒng)的控制效果有絕對(duì)性作用。遙科學(xué)交互原理見圖1。

圖1 遙科學(xué)交互原理

2 靈巧臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 靈巧臂結(jié)構(gòu)

科學(xué)手套箱位于手套箱與低溫存儲(chǔ)柜中,是一個(gè)集成溫、濕、光和風(fēng)控制于一體的可操作潔凈容器,里面放置用于開展生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)的視頻監(jiān)控、顯微操作系統(tǒng)和靈巧臂系統(tǒng),如圖2所示,靈巧臂系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 科學(xué)手套箱

圖3 靈巧臂系統(tǒng)

圖4 靈巧臂坐標(biāo)系統(tǒng)

2.2 靈巧臂建模

靈巧臂為六自由度機(jī)器人,其構(gòu)型坐標(biāo)系建立如下:

其DH參數(shù)表為:

表1 靈巧臂DH參數(shù)

則根據(jù)連桿變換通式

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方程為:

2.3 靈巧臂編程語言

作者采用Visual Basic(VB)腳本[18]語言設(shè)計(jì)的機(jī)器人語言結(jié)合靈巧臂運(yùn)動(dòng)控制方程能方便地完成靈巧臂的編程任務(wù),作為機(jī)器人編程語言,融合了靈巧臂運(yùn)動(dòng)控制指令,通過語言編程的方式在靈巧臂關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間完成人和靈巧臂之間的控制交互。靈巧臂運(yùn)動(dòng)控制編程語言指令見表2。通過指令設(shè)置θ1～θ6的關(guān)節(jié)值或末端位姿值,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧臂的各種運(yùn)動(dòng)控制。

表2 靈巧臂運(yùn)動(dòng)控制指令

2.4 靈巧臂遙科學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合我國空間站對(duì)手套箱中靈巧臂系統(tǒng)進(jìn)行遙科學(xué)設(shè)計(jì),采用三維仿真人機(jī)界面對(duì)靈巧臂工作環(huán)境進(jìn)行遙現(xiàn),實(shí)現(xiàn)地面鏡像監(jiān)控。當(dāng)正常開展實(shí)驗(yàn)時(shí),人盡量少介入,充分發(fā)揮機(jī)器人語言控制的自主性。而當(dāng)非正?；蚍抢硐肭樾纬霈F(xiàn)時(shí),則應(yīng)充分運(yùn)用遙操作的交互能力,讓人最大限度地進(jìn)行干預(yù),見圖5。

圖5 靈巧臂遙科學(xué)設(shè)計(jì)

采用VB腳本計(jì)算機(jī)語言可以編程出復(fù)雜的機(jī)器人任務(wù)。地面操作人員編寫靈巧臂任務(wù)代碼,規(guī)劃任務(wù),然后在地面預(yù)仿真環(huán)境中進(jìn)行過程仿真,經(jīng)過推演驗(yàn)證,可以將生成的后置代碼上行到靈巧臂控制器中,再由靈巧臂在軌執(zhí)行。這樣,靈巧臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)直接依賴于本地控制指令,避免了天地大量實(shí)時(shí)控制指令傳輸?shù)倪^程。通過提供開放性的語言平臺(tái)和編程接口,地面操作人員可以針對(duì)靈巧臂任務(wù)需求自由地進(jìn)行離線編程。

3 靈巧臂遙科學(xué)任務(wù)規(guī)劃

3.1 地面鏡像

地面鏡像設(shè)計(jì)有兩種方式,一是遙現(xiàn)場三維仿真,根據(jù)先知空間站手套箱環(huán)境建立仿真場景,通過IP隧道下行遙測數(shù)據(jù),并將實(shí)際的遙測數(shù)據(jù)用于仿真動(dòng)畫驅(qū)動(dòng),在地面上顯示出靈巧臂在空間的實(shí)際工作狀態(tài),為地面操作人員提供反饋參考。二是遙現(xiàn)場視頻監(jiān)控,通過在軌監(jiān)視相機(jī),將靈巧臂工作場景畫面以視頻實(shí)時(shí)下傳,作為遙現(xiàn)場的實(shí)際狀態(tài)監(jiān)控畫面,有利于實(shí)際的感知。在靈巧臂工作過程中,地面人員依據(jù)鏡像監(jiān)控可實(shí)時(shí)對(duì)靈巧臂的工作情況作出人為判斷,并作出控制決策。

3.2 任務(wù)規(guī)劃過程仿真

3.2.1 遙編程交互

設(shè)計(jì)靈巧臂系統(tǒng)的控制指令為立即指令Pi和延時(shí)指令Ci兩種類型,指令數(shù)據(jù)區(qū)中含有子指令、要執(zhí)行任務(wù)的ID、時(shí)間碼等信息。立即指令發(fā)出后可被靈巧臂控制器直接執(zhí)行,延時(shí)指令為帶有時(shí)間戳的指令,需等待到指定的時(shí)間方能執(zhí)行,則靈巧臂控制指令集合為{Pi}∪{Ci}。由靈巧臂運(yùn)動(dòng)控制指令集和VB腳本語言組成的靈巧臂編程任務(wù)可生成靈巧臂任務(wù)塊為Ti?？刂浦噶钪械娜蝿?wù)ID為Ti的索引序號(hào),將指令與要執(zhí)行的任務(wù)關(guān)聯(lián)起來。任務(wù)塊以文件形式保存,形成靈巧臂任務(wù)池{Ti}。以VB腳本語言遙編程的方式可快速對(duì)靈巧臂任務(wù)進(jìn)行開發(fā)和描述,控制指令通過事件表可以對(duì)Ti進(jìn)行復(fù)用和重組,實(shí)現(xiàn)靈巧臂任務(wù)快速開發(fā)和組合實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 任務(wù)預(yù)仿真驗(yàn)證

按照靈巧臂系統(tǒng)先知環(huán)境構(gòu)建機(jī)器人三維仿真環(huán)境,結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)和機(jī)器人遙編程技術(shù),對(duì)于空間任務(wù)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述和編程,并進(jìn)行高精度的仿真,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化。通過遙編程交互,進(jìn)一步對(duì)靈巧臂執(zhí)行指令過程的三維可視化動(dòng)畫和軌跡進(jìn)行顯示,從而先知推演驗(yàn)證任務(wù)的完成情況。經(jīng)過確認(rèn)后,生成的任務(wù)塊Ti可由地面人員通過天地通信鏈路快速傳輸?shù)届`巧臂控制系統(tǒng)存儲(chǔ),等待任務(wù)規(guī)劃器調(diào)用和執(zhí)行,由于文件的特殊性,Ti可以被任務(wù)復(fù)用,為某些重復(fù)的任務(wù)流程和使用帶來便利。

3.3 IP隧道通信

我國航天系統(tǒng)除常規(guī)數(shù)據(jù)鏈路通信外,已經(jīng)建設(shè)成具有獨(dú)自特色的空間網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。IP隧道通信帶寬下行達(dá)到1Gbps以上,可滿足科學(xué)應(yīng)用數(shù)據(jù)的下行和數(shù)據(jù)注入上行要求,保證遙現(xiàn)場的實(shí)時(shí)性。所以將靈巧臂工作環(huán)境的視頻圖像數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下行到地面鏡像監(jiān)控系統(tǒng),由地面人員實(shí)時(shí)觀測靈巧臂執(zhí)行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)。同時(shí),地面操作人員將規(guī)劃的機(jī)器人可執(zhí)行任務(wù)塊和控制指令直接上行到在軌靈巧臂控制器,就實(shí)現(xiàn)了天地之間的數(shù)據(jù)遙交互通信。

3.4 任務(wù)規(guī)劃器

3.4.1 時(shí)間流事件的自主控制

任務(wù)規(guī)劃器執(zhí)行時(shí)間流事件示意見圖6。任務(wù)規(guī)劃器接收到延時(shí)指令Ci后,將其存儲(chǔ)在任務(wù)規(guī)劃器的延時(shí)事件表中。事件表是一個(gè)帶時(shí)間流的事件隊(duì)列,是地面人員拆分靈巧臂的任務(wù)流程形成的指令流。執(zhí)行完的事件被清空,事件表可被重復(fù)規(guī)劃使用。通過延時(shí)任務(wù)管理器,當(dāng)掃描到時(shí)間符合事件執(zhí)行時(shí),將該延時(shí)指令Ci取出并執(zhí)行。Ci中有要執(zhí)行的任務(wù)ID,根據(jù)ID去任務(wù)池中查找任務(wù)塊Ti,將Ti加載到靈巧臂控制器執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)靈巧臂在本地自主執(zhí)行任務(wù)的目的。對(duì)于空間站在非測控區(qū)時(shí),該方式還可以有效控制靈巧臂完成一定的自主任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)安全性,靈巧臂設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)過流和干涉故障保護(hù)的安全性措施。

圖6 任務(wù)規(guī)劃器指令處理

3.4.2 測控區(qū)的天地遙操作

當(dāng)空間站處于測控區(qū)開展天地遙操作時(shí),可直接采用立即指令Pi對(duì)靈巧臂進(jìn)行遙控任務(wù)操作。為了某些科學(xué)實(shí)驗(yàn)的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制,地面人員可采用步進(jìn)式的增量控制方式,在Pi中設(shè)定每一次運(yùn)動(dòng)的步長,通過地面鏡像監(jiān)控確認(rèn)Pi運(yùn)動(dòng)控制每一次都完成,不會(huì)因天地通信回路時(shí)延或反饋造成控制超量。雖然該方法效率低,但可保證實(shí)驗(yàn)操作的精細(xì)控制和實(shí)驗(yàn)步驟的正確性。同時(shí),也可以結(jié)合任務(wù)池中Ti任務(wù),由立即指令Pi執(zhí)行Ti進(jìn)行部分自主控制,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遙操作和自主任務(wù)的耦合交互,同樣可以避免天地通信時(shí)延問題。

4 靈巧臂任務(wù)仿真實(shí)驗(yàn)

采用設(shè)計(jì)的任務(wù)規(guī)劃與預(yù)仿真平臺(tái)擬開展空間任務(wù)對(duì)某棉片進(jìn)行消殺,如圖7。

圖7 擬執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)

任務(wù)目標(biāo)為100 mm×200 mm的矩形對(duì)象,開展遙編程仿真推演任務(wù)過程如圖8。

圖8 機(jī)器人遙編程控制

通過仿真平臺(tái)界面可推演該矩形面消殺運(yùn)動(dòng)軌跡任務(wù),驅(qū)動(dòng)仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng),仿真機(jī)器人將自主按機(jī)器人語言指令完成任務(wù)規(guī)劃和過程仿真,并得到任務(wù)塊T。通過預(yù)仿真平臺(tái)仿真推演,可預(yù)驗(yàn)證任務(wù)的正確性,得到驗(yàn)證的任務(wù)后置代碼將用于在軌任務(wù)執(zhí)行。

5 結(jié)論

依托我國空間站中科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜科學(xué)手套箱靈巧臂系統(tǒng),設(shè)計(jì)了一種符合我國航天應(yīng)用信息系統(tǒng)的空間機(jī)器人遙科學(xué)模式:

1)將在軌靈巧臂系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)在地面鏡像,以VB機(jī)器人語言遙編程方式規(guī)劃和描述靈巧臂任務(wù),開展任務(wù)預(yù)仿真推演和驗(yàn)證,形成可執(zhí)行任務(wù)塊;

2)采用復(fù)用延時(shí)事件表任務(wù)規(guī)劃和時(shí)間流事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制在軌自主執(zhí)行靈巧臂任務(wù)塊;

3)實(shí)現(xiàn)了靈巧臂可復(fù)用任務(wù)池的自主任務(wù)和遙操作相結(jié)合的交互工作方式,繞開了通信時(shí)延對(duì)空間機(jī)器人實(shí)時(shí)控制過程中的不確定影響,提高了遙科學(xué)任務(wù)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和自主性。

目前,通過在地面測試及在軌實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)能滿足在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)遙現(xiàn)場的臨場感,研制友好的人機(jī)遙操作界面、仿真界面,以及提高機(jī)器人在軌自主安全性控制將是后續(xù)要繼續(xù)深入研究的內(nèi)容。