空間遙操作技術(shù)地面驗證平臺

王雪竹，李洪誼 ，王越超 ，陽方平 ，陳 鵬，余 飛，李貴祥

（1中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機器人學(xué)國家重點實驗室，沈陽110016；2中國科學(xué)院研究生院，北京100101）

1 引言

隨著科技的不斷進步，太空探測活動越來越頻繁，任務(wù)越來越復(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?？臻g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)，以及進行科學(xué)實驗，在空間探索方面具有巨大的應(yīng)用前景。

上世紀90年代以來，美國、日本、加拿大和歐洲紛紛展開空間機器人的遙操作技術(shù)研究。1993年德國DLR實驗室的空間機器人技術(shù)試驗系統(tǒng)ROTEX搭載“哥倫比亞”號航天飛機進入太空，操作者在視覺反饋和地面預(yù)測仿真輔助下使用6自由度控制球?qū)哂卸鄠鞲衅鞯目臻g機器人進行遙操作，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)射裝載空間機器人的ETS-VII實驗衛(wèi)星，進行了一系列遙操作試驗，文獻[2]構(gòu)建一個穩(wěn)定的雙邊控制器，試驗驗證了7s通信時延下使用直接雙邊控制完成遙操作任務(wù)的可行性，以及力反饋對遙操作的重要性。文獻[3]為解決通信時延，提出一種基于模型的混合力和運動命令的遙操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)對建模誤差具有魯棒性，并使用視覺反饋和虛擬預(yù)測顯示輔助操作者。2005年德國在國際空間站上安裝了ROKVISS空間機器人技術(shù)試驗系統(tǒng)，在不同控制模式進行遙操作試驗，旨在驗證模塊化機器人以及遙現(xiàn)技術(shù)在太空維護和修理中的可行性[4]。

我國不少著名院校和科研院所于上世紀90年代開始先后開展了遙操作機器人技術(shù)的研究，一些研究機構(gòu)計劃于1996年開始將遙操作技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)加以研究。在目前沒有真實空間遙操作系統(tǒng)的情況下，各科研單位均采取搭建地面驗證平臺的方法對遙操作技術(shù)方案進行探索和驗證[5]。

空間遙操作面臨的最大問題是星地鏈路間的大通信時延帶來的系統(tǒng)穩(wěn)定性、透明度變差。目前小時延條件下遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明度易達到良好效果，但抖動大時延條件下仍有待進一步的研究。針對特定遙操作任務(wù)的特殊性能要求如何實現(xiàn)也很值得探索。本文搭建空間遙操作技術(shù)地面驗證平臺，設(shè)計雙邊PD控制算法以保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，采用3D虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合視覺反饋、力反饋方法提高系統(tǒng)透明度，在抖動大時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)地面驗證平臺如圖1所示，圖中左邊是主端，即地面控制中心，由上位機、力反饋手柄、控制面板、虛擬現(xiàn)實界面和圖像顯示界面組成。右邊是從端，即空間實驗中心，由上位機、機器人及其控制器、目標任務(wù)板、六維力傳感器和相機組成。主從端之間通過網(wǎng)絡(luò)進行通信。

2.1 從端（空間試驗中心）

2.1.1機器人分系統(tǒng)

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

系統(tǒng)使用從端上位機控制機器人分系統(tǒng)。上位機和控制器之間可以通過串行通道和以太網(wǎng)進行通信，為了便于系統(tǒng)擴展，采用以太網(wǎng)進行連接。ABB公司提供了軟件開發(fā)包PC SDK，用于在上位機中開發(fā)適合自己需求的控制器接口。借助該軟件開發(fā)包可實現(xiàn)以下功能：搜索網(wǎng)絡(luò)，查找所在局域網(wǎng)內(nèi)的所有機器人控制器；讀寫控制器內(nèi)部程序的變量；讀取機器人機械單元狀態(tài)，包括機器人末端位置姿態(tài)、各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角等；讀寫機器人IO單元狀態(tài)；開始、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。

在機器人末端安裝一個氣動手爪作為夾持器，將手爪的信號線連接至控制器內(nèi)的IO模塊，即可通過控制IO模塊的輸出來控制手爪的開合。

2.1.2任務(wù)板

機器人作業(yè)可分為自由運動（無約束運動）和接觸作業(yè)，接觸作業(yè)可分解為抓取、插孔、施加壓力、表面滑動等基本動作。為測試遙操作系統(tǒng)的操作性能，設(shè)計試驗用的目標任務(wù)板。任務(wù)板包含三個任務(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需求。

2.1.3力覺測量分系統(tǒng)

采集機器人作業(yè)時的力覺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)的六維力傳感器來測量機器人和環(huán)境的接觸力。六維傳感器可以采集三個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，PCI卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號提供給上位機，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器人末端（第6軸）上，因而測得的力和力矩信息是在機器人末端坐標系下的數(shù)據(jù)。而在實際應(yīng)用中，使用手柄控制機器人末端的位置和姿態(tài)角，其中位置是相對于機器人基坐標系的數(shù)據(jù)，姿態(tài)角是相對于末端基準坐標系的數(shù)據(jù)（末端基準坐標系以機器人末端位置為原點，平行于機器人基坐標系），因此需要將末端坐標系下的力和力矩信息變換至末端基準坐標系再反饋給操作者。運用機器人運動學(xué)分析計算得到機器人末端坐標系相對于基坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，即為末端坐標系相對于末端基準坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣。于是得到力和力矩計算公式：

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

2.1.4視覺測量分系統(tǒng)

在機器人周圍安裝環(huán)境相機，采集現(xiàn)場圖像并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)往主端，給操作者提供視覺信息。

在機器人末端安裝手眼相機，相機朝向與末端工具指向保持一致。在任務(wù)板旁邊固定有標志器，用于配合手眼相機定位。當標志器在手眼相機視野內(nèi)時，可通過圖像處理將標志器信息提取出來，計算得到手眼相機當前的位姿數(shù)據(jù)，包括相對位置和相對姿態(tài)。相對位置為標志器坐標系原點在相機測量坐標系中的三維坐標，用（x，y，z）表示，相對姿態(tài)為標志器坐標系相對于相機測量坐標系的歐拉角（按ZY-X 順序變換），用（α，β，γ）表示，則標志器坐標系相對于相機測量坐標系的變換矩陣為：

式中，s是sin的簡寫，c是cos的簡寫。

利用該手眼相機的圖像信息和位姿數(shù)據(jù)，可以在主端輔助人的操作，在從端用來實時得到任務(wù)目標相對于機器人末端的位姿，引導(dǎo)機器人自主完成任務(wù)。

2.2 主端（地面控制中心）

2.2.1操作臺

操作臺由兩個作為系統(tǒng)主手的操作手柄和一個控制面板組成。

操作手柄用于讀取人手（手柄）位置信息來控制機器人運動。將機器人和環(huán)境的接觸力通過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。從端機器人具有六個自由度，而Falcon和Omega3均為三自由度力反饋手柄，因此將機器人末端的位置姿態(tài)進行分解，位置用（x，y，z）表示，姿態(tài)用歐拉角（α，β，γ）表示，然后用兩個手柄分別控制位置和姿態(tài)，從而控制六自由度機器人運動。手柄和主端上位機之間通過USB口連接，調(diào)用相應(yīng)SDK進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/手動切換等。控制面板內(nèi)部的單片機不斷掃描面板上各開關(guān)的狀態(tài)，并以一定頻率發(fā)送給上位機，由上位機進行處理。

2.2.2視覺顯示分系統(tǒng)

視覺顯示分系統(tǒng)包括視頻圖像顯示界面和虛擬現(xiàn)實界面。

視頻圖像顯示界面在主端屏幕上顯示從端相機拍攝的圖像信息，給操作者視覺反饋。系統(tǒng)中模擬了空間遙操作主從端通信的時延，設(shè)主端至從端時延為T1，從端至主端時延為T2，則主端得到的圖像和數(shù)據(jù)是從端對主端（T1+T2）時間之前指令的響應(yīng)。通信時延使得從端的運動狀況不能及時反饋到主端，給操作者帶來直覺錯誤和操作錯覺，因此僅靠視頻圖像反饋難以達到良好的操作性能，需要虛擬現(xiàn)實作為補充。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)基于從端環(huán)境模型和機器人模型，根據(jù)主端的當前操作預(yù)測并顯示從端未來的運動狀況，給出從端機器人的偽實時響應(yīng)，能夠顯著提高系統(tǒng)的透明度。然而普通的虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供2D圖像，操作者難以精確判定物體的深度，同時觀看多個角度2D圖像對操作者負擔較大。而3D顯示技術(shù)可以提供具有景深的圖像，提高觀察準確度[6]，因此使用3D顯示技術(shù)進行虛擬現(xiàn)實顯示。

采用偏振三維技術(shù)搭建3D投影，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)生成的3D圖像信號同時輸出到兩臺性能參數(shù)完全相同的投影機中，通過裝在投影機鏡頭前方的偏振鏡片進行水平和垂直方向上的濾光，實現(xiàn)圖像分離，再通過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，通過雙眼的會聚功能實現(xiàn)3D視覺效果。

3 軟件設(shè)計

3.1 主從端程序架構(gòu)

在搭建系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上編寫相關(guān)控制程序，如圖2所示。主端控制程序在主端上位機上運行，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上運行，其任務(wù)是接收主端通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的操作指令，經(jīng)遙操作算法處理后發(fā)給機器人控制器，并將從端的力信息和機器人狀態(tài)信息反饋給主端；當收到主端自動運行命令時，則接收手眼相機傳來的位姿信息，依此信息指示機器人運動。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，人為模擬抖動大時延。

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延對操作性能的影響，采用雙邊控制，即主端將操作者的運動指令發(fā)給從端，控制從手運動，同時從端將從手與環(huán)境的作用力反饋給主端，給操作者臨場感。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，主從端位于一個閉環(huán)回路，二者之間的通信時延會嚴重影響系統(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比例微分（PD）控制器，使用雙端口網(wǎng)絡(luò)的絕對穩(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)計通信時延環(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)定性可由絕對穩(wěn)定性條件（如式（6）所示）判斷。因此，選取適當?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

4.1 仿真試驗

選擇適當參數(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）絕對穩(wěn)定性條件，其中T1和T2均為1.5s～3s的變時延。構(gòu)建仿真試驗結(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）該算法能保證時延系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且對于大時延及抖動的情況下，系統(tǒng)也能穩(wěn)定。

2）在抖動時延的條件下，如果主、從端不加算法，力和位置信號很雜亂，存在嚴重的抖動，可操作性差。添加算法之后，跟蹤效果得到顯著改善，說明算法的有效性。

4.2 系統(tǒng)試驗

按照圖3所示方案進行系統(tǒng)試驗，系統(tǒng)回路時延為3s～5s變時延。x、y、z三個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為實際試驗中主從端的速度和力并不是按照1∶1進行跟隨，而是通過控制面板按鍵調(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。大比例便于機器人在較大空間內(nèi)自由活動，小比例便于在接觸作業(yè)時精確控制機器人運動。

使用該驗證平臺順利完成了滑槽、斜坡、插孔等試驗任務(wù)，試驗照片如圖8所示。在虛擬現(xiàn)實圖像和視頻圖像的輔助下，操作者通常可在接觸孔附近平面后10s內(nèi)完成插孔任務(wù)，插孔圓棒和孔的配合間隙為0.5mm。完成各項任務(wù)時最大接觸力小于80N，機器人末端在接觸面上緩慢滑動時不會被彈開，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 試驗照片

5 結(jié)論

本文針對地空大通信時延下的空間遙操作問題，搭建一個帶有視覺反饋、力反饋和3D虛擬現(xiàn)實顯示的空間遙操作技術(shù)地面驗證平臺，為遙操作算法提供測試平臺。在該平臺基礎(chǔ)上，設(shè)計雙邊PD控制算法，實現(xiàn)抖動大時延下系統(tǒng)的穩(wěn)定。經(jīng)仿真和系統(tǒng)試驗驗證，該系統(tǒng)可提供良好的控制性能，操作者在3s～5s變時延條件下順利完成自由運動、插孔、斜坡跟蹤和槽內(nèi)滑動等遙操作任務(wù)，驗證了空間遙操作技術(shù)方案的可行性。

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