30年，只為太空那只“千里手”

“太棒了，終于穩穩地展開了。”在微信朋友圈看到中國空間站問天實驗艙展開柔性太陽電池翼的絕美瞬間，東南大學首席教授宋愛國滑屏的手指微微顫抖。他感慨道：“我們做了多年的研究，終于不負所托！”在距離地面約400公里的太空，到底需要用多大的力，才能恰好展開一塊相當于標準單打羽毛球場大小的太陽電池翼？宋愛國帶領團隊研發的人機交互力覺臨場感遙操作、航天員在軌操作力測量技術給出了精準答案。

為太空遙操作探路

力覺臨場感機器人是一種先進的人機交互遙操作機器人。通俗地說，它通過各種傳感設備來捕捉人的動作、力度，去控制遠端機器人的運動，如同“千里手”。同時，機器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺也能反饋給人，使人“身臨其境”。

“這項技術在20世紀90年代初的中國，還是一片空白。”宋愛國說。1992年，他博士入學的半年前，中國載人航天工程剛剛啟動。“一窮二白”地闖入嶄新的研究領域，一個巨大的挑戰擺在宋愛國面前：空地間的信號傳輸存在時延，這短暫的幾秒內，如何感知遙操作機器人的力反饋，讓它不失控？

經過數次演算后，宋愛國和團隊發現，機器人在遙操作過程中時延的力反饋模式是一個多余能量輸出的過程。他們設想：“如果將多余的能量耗散掉，是不是就可以讓機器人在時延階段，漸漸穩定下來？”

歷經多年，數不清畫了多少圖紙、熬了多少夜，團隊設計出一套控制算法，根據機器人的接觸力大小和電機的轉速、加速度，分別判斷機器人輸出的能量大小和運動趨勢，由電機自動生成阻力。如果時延產生的能量大，電機的阻力就大;如果能量小，阻力就小。

正要驗證這套理論模型的精準度時，團隊卻遭遇“蒼白”的現實：當時的實驗室沒有工業機器人，國內能生產空間機器人特種電機的工廠也鳳毛麟角。

為嫦娥三號研制地面模擬實驗月球車

工欲善其事必先利其器，沒有條件，就創造條件。宋愛國和同事們自己設計電機指標和結構參數，并將圖紙和指標送到北京一家電機廠定制。兩三個月后拿到的成品，還是不行，又送到南京一家電機廠改裝。第一臺電機，團隊就改裝了五六個月。有了電機，機器人便有了靈魂。10年間，團隊相繼研發了力覺傳感器、力反饋器件和力控制器等器件，建立了力覺臨場感機器人控制系統，就多維力測量不準確、時延帶來的機器人力反饋遙操作不穩定等問題提出系列解決方案。

2008年底，宋愛國團隊開始為嫦娥三號研制地面模擬實驗月面巡視機器人，主要研究月球車的遙操作控制算法和識別環境的感知系統。

2014年1月14日21時45分，在北京航天飛行控制中心精確控制下，“玉兔號”月球車展開機械臂，對月壤成功實施首次月面科學探測。這次探測任務的成功，標志著我國掌握了月面高精度機械臂遙操作控制技術，實現了38萬公里外機械臂毫米級精確控制。宋愛國團隊此前的地面模擬實驗提供了重要支撐。

幫航天員“量力而行”

如果說掌握了人機交互的“力”，可以通過“千里手”隔空作業，那么，了解太空中航天員施力的變化，將為航天員的在軌工作提供依據。

“航天員的操作力涉及指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、手部多維力和足部多維力等十幾種力，這要求力測量設備要對應各種施力方式精確測量。”宋愛國說。

創新無止境。2017年起，團隊又開始研制面向空間站的小型化長壽命高精度多維力傳感器以及航天員在軌生物力學綜合測試系統。2021年4月29日，該綜合測試系統隨中國空間站天和核心艙成功發射升空，并將長期在軌運行。

現在，宋愛國時常會遙望夜空，尋找中國空間站這顆“夜空中最亮的星”。

（摘自《科技日報》8.23金鳳/文）