國際空間站的機械臂系統操作

文/ 遲惑

機械臂對于空間操作有著重要的意義，但它歸根到底也是要人來操作的。艙內的航天員和艙外的機械臂之間隔著一道氣密的艙壁，系統的復雜性、移動性以及直接觀察的困難性，使得遙控機器人操作成為一項特別具有挑戰性的任務。國際空間站在這20多年的運行中，嘗試了多種自主控制、手動控制的策略，發現不同機械臂的艙內工作站，其控制和顯示設計的通用性，對于提高操作性能和減少出錯的可能性至關重要。

美國宇航局在長期運行和使用中，總結出了一些設計和使用經驗，為航天員能把空間機器人系統用好、用穩，提供了有價值的參考。

美國宇航局認為，空間機器人的設計特點旨在優化人類控制和自動控制活動，包括：軌跡和運動限制；避碰算法；自動安全方案；力矩調節；自動化、地面和乘員控制的綜合程序。

加拿大臂2與“右手”的組合

優化國際空間站機器人系統操作員界面的設計，是提升操作員表現、減少出艙活動需求、規避操作期間潛在人為錯誤的關鍵。主要考慮因素包括工作站位置和設計，包括協助操作員固定身體、不發生飄移的機構；系統內部和系統之間的圖形用戶界面通用性；在飛船靠泊任務期間，保持安全進近和充分提供對接走廊基準線提示；空間意識挑戰；集成輔助計算機圖形顯示器，以用來增強操作員的全局態勢感知能力，等等。

控制接口

首先，工作站的設計應該考慮應急情況。這時候，必須安排一套硬件，允許操作員緊急干預，特別是制動，不能再一層一層操作軟件來停止機械手臂運行。此外，許多故障情況可能導致便攜式計算機系統無法工作，所以要訓練操作人員通過手動控制器來操作機械臂，避免手動控制過程中出現意外或錯誤命令的可能性。操作員在工作臺時的姿勢穩定性和舒適性要適合超過7個小時的長時間操作。

考慮到這樣的需求，加拿大臂2和JEMRMS的艙內控制工作站采用了非常相似的構型，都以便攜式計算機系統作為中心；設置了兩個手動控制器，每個提供3個自由度的操作，位于計算機屏幕附近。位于工作站左側的手動控制器提供平移操縱器控制（前/后、左/右、上/下）。右側的手控制器提供操縱器末端執行器的旋轉控制（俯仰、偏航、滾動）。

每個工作站都能顯示多個攝像頭的視圖，還提供了與每個系統相關聯的攝像機的硬件開關。

加拿大臂2的艙內控制臺

航天員在操作加拿大臂2

圖形用戶界面通用性

國際空間站是國際合作項目，所以必須為不同國家、不同母語的乘員設計易于理解的圖形用戶界面、圖標和程序。為此，各國相關科研部門開發了相應乘員顯示器、參考圖和其他圖形參考資料。機器人程序中使用的術語和圖形必須與相應顯示器上使用的術語和圖形完全匹配。

加拿大臂2的最大負載是116噸

其中，機器人關節、節段的位置和姿態信息必須和圖形顯示完全一致。 關節按其在操縱器中的物理位置排列，從底座開始。從圖形左側開始，每個主要組件的顯示順序與實際操縱器硬件上的順序相同。手臂上還要給出“底座”和“尖端”的標簽，這對于能夠 “爬行”的機械手來說尤其重要。顯示器上還要能體現基座位置狀況、關節角度數據、末端效應器/工具狀態、有效載荷標識等。

加拿大臂2運行期間，所有的攝像頭圖像都需要在監控之下

瞭望艙里的加拿大臂2控制臺

各種顯示符號和圖形顏色都是根據行業和國際標準開發的，每種顏色都有特定的操作含義。機器人系統顯示器上使用的一些關鍵顏色是紅色、黃色和橙色。紅色用于提醒操作員立即注意機器人的運動，以避免潛在的災難性事件。黃色表示超出限制條件或保證操作員注意機器人的運動以避免時間損失。橙色表示機器人手臂或硬件正在運動，或準備進入運動狀態。它還用于通知操作員，當選擇相應的硬件開關時，該開關將引起運動。

加拿大臂2支持艙外活動

顏色不能作為識別組件或子系統狀態的唯一手段。因此還需要用標簽、遙測圖標或其他圖形變動來引起操作員的注意。

每一個機器人系統的顯示都被賦予一個特定背景色，用來和相應文字內容相匹配。比如說，由于“右手”具有兩個相同的操縱器臂，常規“右手”頁面采用灰色背景，而一號臂和二號臂的特定操縱頁面分別為粉色和綠色。

為了應對緊急情況，還設計了一些專用指示燈，它們平時沒有動作，一旦激活就意味著要出大問題。例如，一個SSRMS注意指示器用于警告操作員，即將發生自碰撞，也就是說機器人的一個部分與另一個部分非常接近，如果運動沒有停止，就會發生碰撞。盡管自主控制軟件在設計上是可以防止這種事情的，但系統還是會提醒操作員注意，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過精心設計。

對齊提示

國際空間站上用于裝配和維護操作的許多機械系統需要精確對準。在對接和靠泊操作期間，操作員必須保持安全通道，以防止元件、有效載荷或機械手本身與周圍結構接觸。條件更苛刻的是所謂“操作走廊”，例如把飛船精確對接到對接口上。為此攝像機位置和安裝精度必須考慮到熱、振動和壓力影響。操作過程中，寧可慢一點也要確保精確。

空間站外部的光照和陰影條件與地球上完全不同，而且地球背景有時候會干擾觀察，對人和自動傳感系統造成困擾。所以需要對地球背景做預先建模，用于訓練自動操作系統和操作員。實踐證明這一方法非常有效。機械手上的關鍵狀態指示器可以為操作員提供決策參考，如“準備好鎖定”微動開關就可以確認是不是可以進行最終機構對準了。

空間意識挑戰

人在天上，沒有地面上那種上下左右的概念，所以對于空間位置的理解要重新訓練，人人如此，操作一個機械臂更是難上加難。航天員必須把自己充分放進機械臂本身的坐標系里，而不是自己身體的坐標系，操作員必須了解臂尖或有效載荷將沿哪個軸移動，以及圍繞空間中的哪個點旋轉。為此，機械臂設計了多個坐標系來支持手動操作，并生成數字位置和姿態顯示。這個系統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載的三維位置（x、y、z）和姿態（俯仰、偏航、滾轉）。顯示框是用于計算和顯示位置和姿態的參考坐標系。當手動模式下使用手控制器時，命令框確定手臂/連接的有效負載的運動方向。

選擇所需的坐標系和顯示框架，是決定機器人任務難度的一個因素，航天員需要長期訓練才能掌握。

加拿大臂的訓練模擬

末端效應器正在瞄準目標

補充顯示

操作員的態勢感知，主要依賴于機械臂上的各個攝像頭和傳感器數據，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，好幾個攝像頭的圖像一起傳來，可能會使人判斷錯誤。所以，航天員們有時候也會利用增強現實技術來觀看機械臂的運行狀態。

即使采用了相當多的先進技術，人們發現，航天員的長期反復訓練也是不可替代的。特別是在軌飛行期間，航天員也要經常訓練自己使用機械臂，地面上的模擬訓練無法替代真實的空間環境。