３Ｄ圖形預(yù)測(cè)仿真及虛擬夾具的大時(shí)延遙操作技術(shù)

摘 要：以空間機(jī)器人在軌服務(wù)為背景，建立了衛(wèi)星在軌自維護(hù)系統(tǒng)的地面遙操作平臺(tái)，遠(yuǎn)端由安裝在衛(wèi)星本體上的一個(gè)四自由度機(jī)器人和靈巧手的臂／手系統(tǒng)組成，當(dāng)衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)，遙操作者通過(guò)空間鼠標(biāo)和力反饋數(shù)據(jù)手套分別控制遠(yuǎn)端的臂／手系統(tǒng)排除衛(wèi)星故障，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自我維護(hù)，對(duì)于地面一太空之間通訊的大時(shí)延，利用3D圖形預(yù)測(cè)仿真技術(shù)克服時(shí)延的影響，并采用虛擬夾具法提高遙操作系統(tǒng)的安全性和操作性能，在大時(shí)延及變時(shí)延(約7s)的條件下，實(shí)現(xiàn)了武漢遙操作哈爾濱的自維護(hù)機(jī)器人臂／手系統(tǒng)，成功地完成了打開(kāi)太陽(yáng)能帆板的典型衛(wèi)星在軌維護(hù)任務(wù)，驗(yàn)證了該方法的有效性，為今后實(shí)際空間機(jī)器人的地面遙操作提供了經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：空間機(jī)器人；遙操作；時(shí)延；預(yù)測(cè)仿真；虛擬夾具

中圖分類號(hào)：TP872.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：0253-987X(2008)01-0078-04

隨著人類空間活動(dòng)的不斷發(fā)展，以及航天飛機(jī)、宇宙飛船和空間站的建立，大量的空間生產(chǎn)、空間加工、空間裝配、空間維護(hù)和修理工作不可能僅僅依靠宇航員來(lái)完成，而必須發(fā)揮空間機(jī)器人的作用，由于空間環(huán)境的特殊性，利用地面遙操作空間機(jī)器人可以大大減小宇航員從事危險(xiǎn)工作的代價(jià)和成本”，目前，典型的空間機(jī)器人遙操作實(shí)驗(yàn)有歐洲航天局的空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，NASDA的工程實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，以及德國(guó)的國(guó)際空間站機(jī)器人組件的驗(yàn)證系統(tǒng)。

當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射后，其零部件可能會(huì)出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致衛(wèi)星失效，比如我國(guó)2006年10月29日發(fā)射的“鑫諾二號(hào)”衛(wèi)星，太陽(yáng)帆板二次展開(kāi)未能完成，從而造成在國(guó)際通訊市場(chǎng)的潛在損失可能高達(dá)1000億元，針對(duì)這些情況，本文提出了衛(wèi)星自維護(hù)的概念，即在衛(wèi)星本體上安裝一個(gè)輕型機(jī)械臂，臂的末端裝有操作器(靈巧手)，當(dāng)衛(wèi)星的機(jī)械展開(kāi)部件出現(xiàn)故障時(shí)，由機(jī)器人來(lái)排除故障，這不僅可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自我維護(hù)，還可大大提高衛(wèi)星的可靠性和有效壽命。

本文建立了一套衛(wèi)星自維護(hù)系統(tǒng)的地面遙操作演示平臺(tái)，利用3D圖形預(yù)測(cè)仿真技術(shù)來(lái)克服大時(shí)延的影響，采用虛擬夾具法來(lái)輔助進(jìn)行機(jī)器人遙操作的任務(wù)規(guī)劃，遙操作一個(gè)四自由度的機(jī)械臂和末端操作器(HIT/DLR靈巧手)在大時(shí)延及變時(shí)延下，完成了打開(kāi)出故障太陽(yáng)能帆板的典型維護(hù)任務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星自維護(hù)遙操作系統(tǒng)主要包括兩部分：位于武漢的遙操作客戶端和位于哈爾濱的遙機(jī)器人端，二者之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)前向通道的控制指令及反向通道的視頻信息，以及遙機(jī)器人傳感器信息的傳輸，如圖1所示，其中武漢的遙操作客戶端用于模擬空間機(jī)器人遙操作的地面系統(tǒng)，哈爾濱的遙機(jī)器人端用于模擬空間系統(tǒng)。

在遙操作客戶端，操作者通過(guò)空間鼠標(biāo)和力反饋數(shù)據(jù)手套實(shí)時(shí)控制仿真計(jì)算機(jī)中的虛擬機(jī)器人和靈巧手，當(dāng)操作無(wú)誤后，控制指令經(jīng)過(guò)時(shí)延模擬器進(jìn)行延遲，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程實(shí)際遙機(jī)器人和靈巧手，遙機(jī)器人系統(tǒng)的位置／力傳感器信息經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與時(shí)延模擬器進(jìn)行延遲后，用于在虛擬環(huán)境下構(gòu)建遙機(jī)器人的場(chǎng)景，并將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻信息反饋到操作者端，用以輔助操作者進(jìn)行遙操作。因此，視頻反饋可以使操作者獲得視覺(jué)臨場(chǎng)感，力反饋數(shù)據(jù)手套能夠感覺(jué)到遙機(jī)器人靈巧手的操作力，使操作者獲得力覺(jué)臨場(chǎng)感。

在遙機(jī)器人端，一個(gè)四自由度機(jī)器人和末端操作器(HIT/DLR靈巧手)安裝在衛(wèi)星本體上，以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自我維護(hù)，HIT/DLR靈巧手是一個(gè)具有13個(gè)自由度和關(guān)節(jié)力矩傳感器的四指靈巧手，安裝在機(jī)器人末端用于抓取操作，另外，視頻服務(wù)器用于將攝像機(jī)采集的遙機(jī)器人視頻信息壓縮后傳輸給客戶端。機(jī)器人／靈巧手服務(wù)器用于接收遙操作控制指令并執(zhí)行該命令，同時(shí)將機(jī)器人的位置／力矩傳感器信息發(fā)送給客戶端。

2 3D圖形預(yù)測(cè)仿真

2．1 31)虛擬仿真場(chǎng)景

直接利用Open Inventor軟件的建模函數(shù)能夠建立虛擬仿真場(chǎng)景，缺點(diǎn)是難以建立復(fù)雜場(chǎng)景，尤其是對(duì)于曲面建模十分困難，本文充分利用ProE軟件和Open Inventor軟件的優(yōu)勢(shì)，方便地建立了逼真的仿真場(chǎng)景，如圖2所示，首先采用ProE軟件對(duì)衛(wèi)星自維護(hù)系統(tǒng)的各部分實(shí)體按實(shí)際尺寸建模，設(shè)定模型的顏色、單位和光照等特征后，轉(zhuǎn)化成OpenInventor可讀取的文件格式(.iv文件)，然后利用Open Inventor軟件導(dǎo)人轉(zhuǎn)化后的文件，按運(yùn)動(dòng)的邏輯關(guān)系(父子關(guān)系)進(jìn)行組裝，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將機(jī)器人的基座作為根節(jié)點(diǎn)，依次裝配機(jī)器人的各關(guān)節(jié)、手掌和手指各關(guān)節(jié)，這樣，在驅(qū)動(dòng)虛擬模型時(shí)，父節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)就可以傳遞到子節(jié)點(diǎn)上，而不需要經(jīng)過(guò)機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，因此提高了實(shí)時(shí)性。

2．2 3D圖形預(yù)測(cè)仿真

為了克服時(shí)延對(duì)視覺(jué)反饋的影響，一般采用預(yù)測(cè)顯示技術(shù)，目前預(yù)測(cè)顯示主要有兩種類型：①根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)和時(shí)間導(dǎo)數(shù)，通過(guò)泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行外推，該方法只能應(yīng)用于小時(shí)延(幾十毫秒)的情況；②基于系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)與控制輸入，仿真系統(tǒng)以比實(shí)際系統(tǒng)快得多(幾十倍)的速度運(yùn)行，預(yù)測(cè)系統(tǒng)在當(dāng)前輸入后的狀態(tài)，該方法適用于大時(shí)延(幾秒)的遙操作。

對(duì)于衛(wèi)星自維護(hù)系統(tǒng)的遙操作，從哈爾濱至武漢的互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)延T_i約為幾百毫秒。為了模擬空間遙操作大時(shí)延(7s)的情形，采用數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，將遙操作客戶端生成的控制命令及反饋的傳感器信息經(jīng)過(guò)一個(gè)鏈表進(jìn)行約3.5s的延遲，從而實(shí)現(xiàn)了在仿真計(jì)算機(jī)上人為地給前向通道和反向通道各增加3.5s的模擬時(shí)延T_m。整個(gè)遙操作系統(tǒng)的時(shí)延為

T=2(T_m+T_i) (1)

由于網(wǎng)絡(luò)狀況的變化將會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)延的變化，因此T_i模擬了空間遙操作變時(shí)延的情形，T_m模擬了空間遙操作大時(shí)延(7s)的情形，針對(duì)衛(wèi)星自維護(hù)系統(tǒng)的大時(shí)延及變時(shí)延的情況，采用第②種預(yù)測(cè)顯示技術(shù)，操作者面向所建立的3D圖形預(yù)測(cè)仿真模型進(jìn)行操作，虛擬仿真場(chǎng)景實(shí)時(shí)地響應(yīng)操作者給出的控制指令，由仿真驗(yàn)證控制指令正確后，將該指令發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器，遙機(jī)器人則執(zhí)行該條指令。

3 虛擬夾具法

虛擬夾具法是在軟件里通過(guò)限制機(jī)器人一定的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人沿著需要的軌跡運(yùn)動(dòng)，或者避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到禁止區(qū)域，因此，虛擬夾具分為禁止區(qū)域虛擬夾具和引導(dǎo)虛擬夾具。為了提高系統(tǒng)的安全性及操作性能，在系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃中采用了這兩種虛擬夾具。

3．1 禁止區(qū)域虛擬夾具

由于圖形碰撞檢測(cè)的算法復(fù)雜，會(huì)占用大量的計(jì)算機(jī)資源，降低仿真速度及性能，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此本文采用禁止區(qū)域虛擬夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與衛(wèi)星本體的碰撞檢測(cè)，首先將衛(wèi)星本體的模型定義為一個(gè)立方體禁止區(qū)域，然后通過(guò)機(jī)器人和靈巧手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到靈巧手各手指的末端位置，如果這些位置在禁止區(qū)域內(nèi)，即表明機(jī)器人末端與衛(wèi)星本體發(fā)生碰撞，控制指令無(wú)效，且不能發(fā)送到遙機(jī)器人的服務(wù)器上。

3．2 引導(dǎo)虛擬夾具

在遙操作過(guò)程中，操作者是通過(guò)手動(dòng)控制空間鼠標(biāo)來(lái)控制機(jī)器人的位置和姿態(tài)，通過(guò)手動(dòng)操作，要實(shí)現(xiàn)精確的控制十分困難，甚至不可能實(shí)現(xiàn)(比如通過(guò)空間鼠標(biāo)控制機(jī)器人沿直線或者圓弧軌跡運(yùn)動(dòng))，然而，在打開(kāi)太陽(yáng)能帆板的任務(wù)中，由于太陽(yáng)能帆板只能繞其軸線沿圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，因此要求機(jī)器人必須嚴(yán)格沿著該圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)。

在通常情況下，通過(guò)空間鼠標(biāo)控制的是太陽(yáng)能帆板軌跡上c點(diǎn)的位姿(x_c，y_c，rx_c)，由于手動(dòng)控制不精確，導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與帆板運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏離，從而會(huì)產(chǎn)生較大的接觸力，甚至?xí)p壞機(jī)器人和靈巧手，借助于引導(dǎo)虛擬夾具，在打開(kāi)帆板階段，空間鼠標(biāo)將不直接控制c點(diǎn)的位姿，而是控制c點(diǎn)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能帆板圓心角J_I，從而保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡與帆板運(yùn)動(dòng)軌跡能夠嚴(yán)格重合，避免因?yàn)閯傮w接觸而導(dǎo)致的較大接觸力，如圖3所示，通過(guò)計(jì)算間接得到c點(diǎn)的位姿

x_c=x₀+rsin(J₁) (2)

y_c＝y(tǒng)_a+rcos(J₁) (3)

rx=J₁ (4)

式中：(x₀，y₀)為太陽(yáng)能帆板的圓心坐標(biāo)；r為太陽(yáng)能帆板運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑。

4 遙操作任務(wù)規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)

為了能夠合理地利用虛擬夾具法輔助遙操作，本文采用分段控制方法進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，即將打開(kāi)太陽(yáng)能帆板任務(wù)分解為多個(gè)子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)采用不同的控制方式，該任務(wù)規(guī)劃主要分為以下3個(gè)子任務(wù)。

(1)抓握帆板手柄子任務(wù)：該任務(wù)控制機(jī)器人到達(dá)帆板的手柄位置，并控制靈巧手抓握帆板手柄。

(2)打開(kāi)帆板子任務(wù)：該任務(wù)是在靈巧手抓握帆板手柄后，控制機(jī)器人打開(kāi)太陽(yáng)能帆板。

(3)退出帆板手柄子任務(wù)：在打開(kāi)太陽(yáng)能帆板后，控制機(jī)器人和靈巧手從帆板手柄中安全退出，并使機(jī)器人和靈巧手復(fù)位。

任務(wù)(2)是利用引導(dǎo)虛擬夾具指導(dǎo)機(jī)器人沿著太陽(yáng)能帆板的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，任務(wù)(1)和任務(wù)(3)則是利用禁止區(qū)域虛擬夾具來(lái)防止機(jī)器人與衛(wèi)星本體發(fā)生碰撞。

如圖4所示，空間鼠標(biāo)生成的控制命令通過(guò)引導(dǎo)虛擬夾具進(jìn)行判斷，從而決定是直接控制機(jī)器人的位姿，還是通過(guò)引導(dǎo)虛擬夾具來(lái)控制機(jī)器人的位姿，通過(guò)機(jī)器人和靈巧手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到手指末端的位置，利用禁止區(qū)域虛擬夾具判斷靈巧手末端是否與衛(wèi)星本體發(fā)生碰撞，如果發(fā)生碰撞，該控制命令無(wú)效。需重新獲取空間鼠標(biāo)的控制命令；如果未發(fā)生碰撞。則利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)計(jì)算得到各關(guān)節(jié)角度，驅(qū)動(dòng)虛擬環(huán)境中的仿真機(jī)器人，并把該控制命令發(fā)送給遙操作機(jī)器人執(zhí)行。

如圖5和圖6所示，采用3D圖形預(yù)測(cè)仿真及虛擬夾具的技術(shù)，在大時(shí)延及變時(shí)延(約7s)的條件下，利用衛(wèi)星自維護(hù)遙操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了打開(kāi)衛(wèi)星出故障的太陽(yáng)能帆板，完成了典型的在軌維護(hù)任務(wù)。

5 結(jié) 論

本文建立了衛(wèi)星自維護(hù)系統(tǒng)的地面遙操作平臺(tái)，在大時(shí)延及變時(shí)延(約7s)條件下，利用3D圖形預(yù)測(cè)顯示技術(shù)對(duì)遙操作機(jī)器人進(jìn)行預(yù)測(cè)仿真，利用虛擬夾具法輔助進(jìn)行遙操作的任務(wù)規(guī)劃，完成了打開(kāi)衛(wèi)星出故障太陽(yáng)能帆板的任務(wù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了3D圖形預(yù)測(cè)顯示技術(shù)能夠較好地克服大時(shí)延對(duì)空間機(jī)器人遙操作的影響，使遙操作得以順利連續(xù)地執(zhí)行，同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了虛擬夾具法在提高系統(tǒng)安全性和操作性能方面發(fā)揮著重要的作用。

(編輯 管詠梅)