面向机械臂遥操作的虚拟人机交互系统设计

为提高空间站机械臂遥操作系统的精度和安全性,设计了一种基于混联式七自由度力反馈设备的虚拟人机交互系统。系统由力反馈设备、控制系统及虚拟场景构成,实现了三维平动自由度和三维转动自由度的机械解耦,并通过标定修正了存在误差的机械参数,可以对末端输出反馈力稳定控制。性能试验表明:系统可以在250 mm×250 mm×250 mm的空间内精确跟踪操作人员手部位置,位置精度达到0.6 mm;可提供最大15 N的力觉反馈;在虚拟夹物体试验中,有力反馈的人机交互系统比无力反馈系统的完成时间缩短了23%,损坏率降低了50%,提高了操作精度和夹取过程的安全性。     

空间遥操作任务中显控界面关键技术研究进展

为提高空间站机械臂等空间遥操作任务的操作表现,提升操作者的临场感是一项重要的技术途径。为此,须开展显控界面的工效学设计。结合目前国内外研究文献,分别就视觉实景界面,增强现实界面,对抗时延的操作策略,语音、力觉交互以及预警机制等几项关键技术进行了梳理和讨论,并提出了几项空间遥操作人机界面可以深入展开的研究方向。     

速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究

 天地间通讯存在大时延是影响空间遥操作性能的主要问题。传统虚拟夹具应用于空间遥操作中,已获得一定的操作性能提升,但不具备动态的预测能力,对于克服时延带来的操作错觉等能力的提升有很大限制。本文提出一种速度型虚拟夹具作用于操作末端,利用操作末端的速度信息,实时改变虚拟夹具的形状,对操作末端在3 s时延后的运动进行动态预测。利用方向包围盒(OBB)方法进行图形碰撞检测,能在3 s内检测到即将到来的碰撞,按照一定规则产生相应的阻力反馈给操作者,以克服时延引起的误操作,提高遥操作性能。经过多组目标平台的近距离停靠实验,验证了该方法的有效性。     

复杂大时延的多主多从共享遥操作方法

共享遥操作结合了遥操作和多机器人协调技术,是重要的空间机器人复杂任务拓展和遥操作可靠性提升方式。首先,在综述现有共享遥操作技术的基础上,利用遥操作系统的超前预报特性,提出机器人复杂大时延的共享遥操作方法,给出了多操作员多机器人（MM/MS）复杂操作系统描述模型,设计了分时树状分组策略并给出其使用的前提条件。提出了MM/MS组间共享遥操作方法、时延信息维护规则、操作请求判断和状态信息维护方法。然后,给出了相应组内共享遥操作算法。最后,以多操作员单机器人（MM/SS）共享遥操作为例,给出了简化规则,使用以某大型空间机械臂为对象的MM/SS遥操作系统进行了数字仿真实验。实验结果表明：本文方法在20 s级不确定时延、操作端的交互时延与遥操作回路时延比为0~1等复杂条件下,均可实施连续稳定的遥操作。     

融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法

针对机器人卫星装配阶段舱板与主框架装配精度低、装配干涉力过大的问题,提出了一种融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法。利用视觉检测装置建立卫星舱板与主框架装配误差在线测量系统,并完成了双目标定、机器人手眼标定、其他部件相对位姿的标定,提出了卫星舱板与主框架装配误差补偿控制方法,实现了装配误差实时测量与精确补偿;同时,通过力觉检测装置完成了机器人末端负载辨识与重力补偿,实时测量卫星舱板与主框架装配干涉力,实现了卫星柔性装配。试验结果表明,采用融合视觉与力觉的卫星装配误差在线测量与补偿方法后,卫星舱板与主框架装配误差控制在0.2 mm以内,装配干涉力小于50 N,满足了卫星装配的精度需求,证明本文所提方法的有效性和稳定性。     

面向空间遥操作的非对称双人共享控制及其性能分析

面向复杂操控任务的多人/机遥操作技术是未来空间遥操作的发展趋势之一。在综述目前双主单从的遥操作控制模式的基础上,提出一种面向空间遥操作的非对称双人共享控制方法。首先,通过分析理想双主单从遥操作系统模型,并对优势因子进行区分,建立了时延影响下的非对称双主单从共享控制系统模型;然后,利用传递阻抗、可达阻抗范围、性能表现距离和传递阻抗比等函数对系统的性能指标进行评价分析,并给出优势因子、控制阻抗和环境阻抗等参数对系统运动学性能的影响;最后,对所提出的方法进行仿真和实验验证,结果表明相比于传统控制方法,非对称双人共享控制具有较好的透明性和抗时延影响特性。     

空间遥操作分段自适应碰撞预警方法

目前空间遥操作碰撞预警机制并未考虑遥操作任务的阶段性特点,操作的快速性与精细性难以兼顾。针对这一现状,提出了空间遥操作分段自适应碰撞预警方法。通过计算机械手末端与操作目标之间的相对距离,将遥操作任务划分为自由接近、精细调整和操作控制三个阶段,分阶段自适应调整碰撞检测策略和操作比例系数,并通过直观的预警视觉信息,使得遥操作员实时感知任务阶段。目标逼近试验表明:在自由接近段,随着对目标的逼近,操作速度从7.46mm/s逐渐减小为4.41mm/s,关节运动和相对位置的抖动较大;在精细调整段,操作速度为3.98mm/s,关节运动和相对位置的抖动较小。因此,该分段自适应碰撞预警方法有效克服了操作快速性与精细性的矛盾,适合于未来更为精细、复杂的空间遥操作任务。     

基于碰撞检测的自适应阻抗控制机械臂系统(英文)

针对柔性关节机械臂,本文阐述了机械臂能够像人手一样安全操作的方法。3种方法相结合,以便机械臂能够柔顺的接触操作对象并控制接触力在预设定范围内。首先,提出采用虚拟分解法的笛卡尔阻抗控制用来实现机械臂在笛卡尔空间的柔顺控制。其次,引入自适应关节动态补偿器使得机械臂能够实施更为精确的控制。最后,设计了基于笛卡尔力反馈的实时路径规划,从而使机械臂能够检测碰撞并控制接触力。基于碰撞检测的自适应阻抗控制器能够简化其在机械臂上的实施,保持机械臂对环境的友好操作,并且严格满足系统的全局稳定性。实验在4自由度的卫星在轨自维护机械臂平台得以验证。碰撞检测实验和轨迹跟踪实验结果证明了所提出方法的有效性和可行性。     

基于虚拟四目的立体视觉固定飞行昆虫运动参数测量系统

提出了基于单摄像机的测量高扇翅频昆虫飞行运动参数的虚拟四目立体视觉测量系统。文章首先分析了虚拟测量系统原理和立体视觉测量原理,并指出了采用虚拟四目立体视觉测量系统测量昆虫运动参数的必要性,最后给出了基于多平面的虚拟四目立体视觉测量系统的标定方法和实验结果。实验结果表明利用该测量系统可以较好的恢复昆虫双侧翅膀的运动信息,极大的降低了系统成本。     

空间机器人主从遥操作的自抗扰控制

目前基于模型的控制方法是空间机器人遥操作控制的主流方法,但该方法不可避免地会引入运动的累积误差,甚至造成控制失稳。针对这一问题,基于自抗扰控制方法为空间机器人主从遥操作设计了一类单关节控制器,并采用计算机仿真方法研究了其基本性能,结果表明所设计的自抗扰控制器能够实现稳定的遥操作控制,且具有良好的抗扰性和鲁棒性。特别是由于自抗扰控制方法不依赖于机器人的数学模型,因此十分适合作为现行基于模型控制的有益补充。     

基于深度图推理的卫星背板部件检测方法

在轨加注是一种典型的在轨服务操作,它对于降低空间运输成本和任务风险起着重要的作用,视觉感知系统可以感知操作任务周围环境并提供给控制系统。目前在轨加注依赖于人,在人员监控下完成或通过遥操作完成,缺乏自主性。本文围绕未来高自主性的基于深度强化学习的在轨加注方法,对基于深度学习的视觉感知方法展开了研究,针对基于深度学习的方法对相似实例的检测存在精确率低、对光照变化敏感等缺点,提出了基于深度图推理的卫星背板部件检测方法。提出的方法可以有效地检测复杂形状的目标,不依赖于手工设计的特征;提高了复杂光照环境下部件的检测正确率;可以有效区分外形相似的不同部件;其有效性在数学仿真和物理仿真中均得到了验证。     

影响空间机械臂遥操作任务绩效的关键因素研究

为研究影响空间机械臂操作的关键因素,面向空间站背景下的机械臂遥操作任务,融合情境意识理论,从操作过程和结果中提出6项客观绩效指标：失误率、操作效率、有效操作比率、复合操作比率、位置操作精度及姿态操作精度。招募24名志愿者平均分为2组,通过有差别培训区分为操作技能水平高的实验组和操作技能水平低的对照组;基于机械臂遥操作三维仿真平台,开展了指令、手柄、参数3种控制方法和低、中、高3种任务难度的机械臂末端操作任务实验。结果表明：指令控制方法适合机械臂在局部范围内的精细调整时使用;手柄控制方法适合熟练操作者在机械臂较大范围转移时使用;参数控制方法适合熟练操作者在各维度偏差较大时使用。操作精度结果呈现个体差异,与任务难度关联不显著(P>0.05);操作技能水平对机械臂操作有效性有显著影响(P<0.01)。     

面向空间机械臂遥操作任务的客观绩效指标分析

面向空间站背景下的机械臂遥操作任务,总结并提出了11项操作者在手柄操作中的客观绩效指标,基于机械臂遥操作仿真平台进行了机械臂转移对接操作实验。实验结果表明:提供数值信息对多项操作绩效指标有提升作用,4摄像机布置方案在到达关节限位次数指标上优于2摄像机布置方案;关节限位次数、错误操作次数、手柄控制效率等几项指标,可以预测是否能够成功完成对接任务。提出的手柄控制效率指标能够预测操作用时以及到达限位位置风险等核心指标,可用于综合评价实验任务中人的操作效率。     

基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及磨削力预测

利用VHX-600E型超景深显微镜测量了金刚石砂轮表面的磨粒分布情况,计算得到了砂轮表面的磨粒密度、真实接触弧长以及砂轮总的磨粒数和有效磨粒数。基于磨粒间隔分布假设和虚拟格子方法在虚拟砂轮端面随机分布等磨粒密度的多颗正六面体磨粒,并随机分配磨粒的位姿以模拟砂轮的真实形貌。将1/4虚拟砂轮模型导入Deform-3D软件中,建立三维虚拟磨削仿真模型,采用Lagrangian Incremental算法获得多颗磨粒的仿真磨削力值,并建立了基于多颗磨粒磨削仿真的磨削力预测模型。通过金刚石砂轮端面磨削硬质合金刀片的实验,比较了实测磨削力与预测磨削力;仿真与实验结果具有一致性,证明了采用本方法建立的多颗磨粒虚拟磨削仿真模型可以用于磨削力预测,为多颗磨粒共同磨削的磨削力研究提供了新的思路。     

纯质量虚拟环境下力觉交互稳定性研究

讨论了纯质量虚拟环境下,单自由度力觉交互系统在导纳再现方式下虚拟质量的稳定范围及其影响因素。假设虚拟环境为被动,操作者在系统中的作用分为被动部分和主动部分,通过电网络与力觉交互机电系统的等效和双端口网络绝对稳定理论的应用,就纯质量虚拟环境下系统的稳定性进行了分析,评价了系统参数对系统稳定范围的影响。该方法和结论可以用于对力觉交互系统导纳再现方式下的性能评估和设计指导。     

空间机械臂视觉测量技术研究

空间机械臂技术是维护空间站、执行指定任务、保障航天员出舱作业的安全等必不可少的关键技术。视觉测量技术则是保证空间机械臂顺利完成空间遥操作任务的前提。基于此前提,首先对空间机械臂视觉测量技术进行了概述,并分别对手眼关系标定、标志器识别以及相对三维位姿测量等关键技术进行了阐述;然后,以加拿大机械臂为例提出了一种基于边缘特征的标志器识别算法,给出了具体的识别流程,并采用一种基于非迭代的相对位姿测量算法实现了位姿求解;最后,针对标志器识别算法和位姿测量算法给出了基于仿真图像的实验结果和机械臂原理样机集成实验结果。最终实验结果表明:提出的空间机械臂视觉测量方法合理可行,满足预期的技术指标要求,具有较强的工程应用价值。     

一种基于标识的增强现实交互方法

增强现实系统中,不同标识上虚拟物体交互行为比较单一,且大多根据标识问的距离控制交互,当系统中标识增多时,系统的运行效率将大大降低。本文将虚拟现实中的感知技术引入到系统中,为虚拟物体建立了一种基于空间距离的感知模型,将标识间的距离分级,虚拟物体对处于自己感知域内不同距离级别上的其它虚拟物体采取不同的交互行为。实验结果表明,该方法可以丰富虚拟物体的交互行为,同时满足系统实时性需求。     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

影响机械臂遥操作的认知功能分析

研究遥操作过程涉及到的认知行为,识别影响遥操作任务绩效的认知功能,有助于建立空间遥操作的人因可靠性分析体系,并保障在轨遥操作任务顺利完成。结合国内外研究,着重分析遥操作与情境意识、空间转换、感知觉三者之间的关系,并结合具体遥操作任务剖析各项认知功能在操作过程各个阶段的影响作用;针对情境意识、空间转换、感知觉等认知功能对NASA的机械臂遥操作训练指标进行分类梳理;最后提出了未来从认知层面开展空间遥操作研究时应该注意的问题,并从视觉信息呈现、认知功能变化和人为失误预测等方向对未来遥操作研究进行展望。     

基于3RRS-Bricard复合空间捕获系统运动学分析

面向跨尺度、目标多样化的空间捕获任务,融合Bricard和3RRS机构的折展特性和几何特点对复合捕获系统运动学进行了分析。基于捕获系统的自由度和构型特点分析,通过构建Bricard与3RRS间的转换关系实现了捕获系统各机构间的运动学解耦。根据六棱柱模型,引入Bricard虚拟顶点,设计了面向复合空间捕获系统的运动学求解方法。在仿真环境下搭建捕获系统的运动学和动力学模型,并开展针对动态捕获目标的轨迹跟随实验。通过与基于闭环约束的阻尼最小二乘法（DLS）对比,验证了该运动学求解算法的有效性和先进性。实验结果表明,捕获系统可实现平稳的协同控制,运动过程中位置跟随精度优于4 mm,姿态精度优于0.035 rad。