空间机器人大时延遥操作技术研究综述

空间机器人是完成多种空间作业任务的主体,能否在地空间存在大时延情况下实现有效 的地面遥操作是发挥空间机器人作用的关键。从基于虚拟预测环境遥操作和双边遥操作 两个方面,对国内外空间机器人大时延遥操作技术研究进行了系统的综述和深入的分析,并 在此基础上提出了进一步的发展方向。
     

基于虚拟现实的空间机器人遥操作在维护作业中的应用

研究了变时延遥操作环境下的预测仿真技术、基于虚拟现实的机器人遥操作系统组成、遥操作系统的自主学习技术和虚拟操作环境建模技术。开发了基于虚拟现实的机器人遥操作演示系统和自学习功能。实现了基于虚拟现实的临场感遥操作,在5～8s模拟时延条件下完成了推开故障太阳翼,擦拭受污染的镜头和拉动调整出现故障的卫星天线等作业。     

空间机器人的遥操作

本文分析了空间机器人遥操作的特点，时延对空间机器人遥操作的影响，总结了空间机器人遥操作的指令模式和控制模式，展望了空间机器人遥操作的发展前景。     

空间遥操作机器人系统控制参考模型

从分析智能系统中智能行为机制人手，研究了智能系统中自组织单元基本结构，基于智能工程中的集成单元结构，提出了遥操作机器人系统的递阶嵌套控制参考模型，并应用到遥操作空间机器人模拟实验中，完成了模拟舱内作业任务，验证了其实用性。     

自由飞行空间机器人遥操作三维预测仿真系统研究

三维预测仿真技术是目前解决大时延遥操作的主要方法,在空间机器人的遥操作中起着至关重要的作用。针对自由飞行空间机器人建立了一套遥操作三维预测仿真系统,并进行了地面演示验证。首先介绍了空间机器人系统及其遥操作分系统组成,以及图形预测仿真原理。然后详细介绍了遥操作分系统预测仿真子系统的开发,该子系统基于面向对象的思想和MVC(Model\|View\|Controller)模式进行设计,采用Java语言和Java3D图形库进行开发。仿真系统以空间机器人的运动学模型和动力学模型进行驱动,具有快速、准确的图形碰撞检测功能。最后建立了遥操作地面演示验证系统,进行了多次遥操作实验。结果表明了预测仿真子系统的有效性。
关键词:中图分类号：文献标识码：A 文章编号：DOI:     

柔索牵引式力觉交互机器人工作空间分析

为了在地面上实现航天员的虚拟作业训练，基于柔索牵引式并联机器人，研究了与VR技术结合的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间。建立平面柔索的静力学模型，分析竖直平面内4柔索3自由度末端执行器不同位姿及人机交互力下的力螺旋可行工作空间，对比分析了柔索牵引式力觉交互机器人在实际应用中交叉柔索不同布局方式、外力旋量和末端执行器不同结构参数对力螺旋可行工作空间的影响。确定了合理的柔索牵引式力觉交互机器人的力螺旋可行工作空间、合理的柔索布局、末端执行器的结构参数。因为柔索牵引式力觉交互机器人具有工作空间大、可以提供较大的力及力矩、刚度可变、安全性高、人机交互性强等优点，因此可以满足航天员虚拟作业训练的需求。     

一种基于共享控制的双臂协同遥操作控制方法

针对双臂空间机器人精细操作任务，提出一种双臂协同遥操作共享控制方法。该方法将传统的遥操作四通道控制结构与共享控制相结合，通过在主从端控制器中加入优势因子，实现操作者与机器人左右操作手力和位置信息的双闭环反馈回路，并通过调节优势因子使主端的操作者对从端机械臂具有不同的控制权重，且主端操作者在协同操作时可以感受到对方的操作意图。通过CHAI 3D搭建的实验平台设计典型空间操作实验，并与单个操作者单独进行双手操作和双操作者分别操作单机械臂的情况对比。实验结果表明，本算法操作精度和效率较高，操作中的碰撞次数较少。     

空间任务人机协同作业内涵及关键技术问题

论述了空间任务人机协同作业的内涵,指出其与其它人机关系相比具有平等性、独立性和协同性的特点;分析了国内外相关研究情况,得出目前人机协同作业研究大多集中在人机交互领域,缺乏对顶层的研究;指出需要重点关注的人机任务分配、人机安全控制和人机信息交互三个关键问题,并提出了我国开展空间任务人机协同作业的发展建议,如与遥操作技术的发展和应用紧密结合、充分注重在轨演示、应当先采用人主机辅的模式等。     

空间细胞机器人系统关键技术及其应用

针对传统空间操控装置难以适应未来大型空间设施在轨建设的问题，提出一种能够实现多层次自重构的空间细胞机器人系统，并对其概念体系以及设计理念进行了分析。介绍了空间三角桁架装配场景下的空间细胞机器人系统硬件设计。提出了空间细胞机器人系统关键技术，包括多智能体协同不确定行为规划、多层次机器人系统构型决策、多智能体协同无环境地图自主导航以及多智能体分层协同分布式控制等。最后结合空间细胞机器人系统的特点与优势，对其应用前景进行了展望。     

具有力觉临场感的主从遥控机器人系统的双向控制

本文研究借助力觉临场感技术实现主从机器人遥操作的控制理论和设计方法，基于对控制系统的动力学分析，在力和运动的双向控制中采用力反射伺服型控制方案，实验结果表明了该方案的可行性，显示了在非结构性环境下临场感在增强人机交互能力方面的优越性。     

行星表面巡视探测器遥操作技术研究

行星表面巡视探测器的遥操作,是整个行星遥科学探测过程的重要组成部分。文章首先对遥操作的基本概念和行星表面巡视探测器遥操作的基本特性做了初步的分析,然后对成功发射到月球和火星表面并进行巡视探测的8个巡视探测器进行了归纳与总结,最后对行星表面巡视探测器的遥操作技术进行了总结与展望,并建议在我国首次登陆的月面巡视探测器上采用以遥操作为主,同时设置遥操作加半自主的操作模式。     

基于递推差分进化算法的空间机器人参数辨识

针对空间机器人抓取未知目标时的特性参数以及关节摩擦系数的辨识和在线修正问题,提出一种基于递推差分进化算法的实时参数辨识方法。首先采用静态连续摩擦模型描述机器人的关节摩擦特性,并建立两关节空间机器人的非线性动力学模型,然后基于差分进化算法和递推最大似然估计法推导出递推差分进化算法,并用于空间机器人的参数辨识,最后仿真校验了该辨识方法的有效性。仿真结果表明,该算法的辨识精度优于遗传算法和最小二乘法,辨识速度较快,能满足遥操作的要求,且对于动态信息有较好的跟随性。     

一种基于切换控制律的机器人双边遥操作方法

针对变时延下多自由度机器人在任务空间的遥操作问题,为在保证时延稳定性的同时提高其透明性和跟踪性,在一种比例微分+阻尼的任务空间双边控制器基础上,加入变增益切换控制律。结合性能需求,为不同操作模式设计合适的控制增益。在切换律中引入临界模态,保证系统在碰撞发生时切换控制的稳定性。利用李雅普诺夫理论证明系统在各模态下以及切换过程中的稳定性。通过对一个典型任务的仿真,校验该方法的有效性;同时,几组对比仿真试验也展示了该方法在稳定性和操作性上的优势。     

双边遥操作系统操作性能度量频域指标

在双边遥操作控制系统的设计中,如何分析和评价遥操作系统的操作性能是一个至关重要的问题。利用频域分析方法,引入了一种新的遥操作系统操作性能度量指标,运用该指标分析了Anderson无源性遥操作系统的操作性能,并针对单边时延条件下的双边控制系统,获得了系统透明性与系统单边时延以及系统跟踪性与系统单边时延之间的关系曲线,解释了Anderson方法为什么只适用于时延不大于1s的系统,并验证了所提度量指标的合理性和有效性。
     

基于虚拟夹具的交互式空间机器人遥操作实验

预测仿真技术是目前消除大时延对遥操作影响的主要方法。在操作者控制虚拟机械臂与仿真环境中的物体接触之前,仅有的视觉信息不足以提供充分的临场感信息,操作者无法进行安全有效的操作;由于肌肉颤抖等原因导致徒手控制的精度较低,操作者无法进行精确的操作。针对这两个问题,使用虚拟夹具技术对操作者的动作进行限制和引导。实验结果表明,在虚拟夹具的辅助下,可以有效提高操作者的临场感,使操作者快速准确完成遥操作任务。
     

空间机器人神经网络自适应滑模目标操控轨迹跟踪控制

针对参数未知的空间目标操控问题,考虑空间机器人负载不确定性、系统动力学不确定性和环境扰动等因素,为实现操作过程的稳定控制及机器人轨迹的有效跟踪,提出一种基于径向基神经网络估计不确定项的自适应增益非奇异终端滑模变结构控制器。首先基于拉格朗日法建立空间机器人的刚体动力学模型。考虑空间机器人基座姿态主动控制模式,使用径向基神经网络对模型中的不确定项进行估计。进而提出基于神经网络估计的非奇异终端滑模控制器,并针对不确定性和扰动的估计误差设计自适应增益,以期实现空间机器人系统轨迹跟踪控制的收敛。仿真校验结果表明所设计的控制方法具有较好的误差收敛速度和控制精度。     

GEO编队空间机器人系统交会方法

针对地球静止轨道（GEO）上被服务航天器的远距离和非合作特点,提出一种高自主、高协同、多任务的编队空间机器人在轨服务系统方案,实现对非合作目标的自主交会接近。首先,分析GEO卫星轨道约束力小的轨道特征和非合作的信息交互特征,给出由操作空间机器人和监视空间机器人组成的编队在轨服务系统,设计交会接近相对测量分系统以及在轨服务飞行任务;接着,给出典型远距离交会接近的多视线相对导航方法与多冲量相对制导律;最后,进行远距离交会任务仿真校验,结果表明编队空间机器人交会接近方法是有效的。     

一个面向遥科学实验的遥操作实验系统

在空间遥科学实验应用中,通信信道的传输延迟和有限带宽是大时延遥操作面临的关键问题。本文阐述了应用遥编程技术的遥操作系统的基本设计思想,介绍了遥操作实验系统的实现,给出了试验结果。