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。     

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:     

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。     

一种面向在轨服务的空间遥操作人机交互方法

为了解决人在遥操作回路中,人与操作目标时空隔离、缺乏环境信息和天地回路大时延等实际问题,以及减少空间机器人缺乏自主智能性和操作者手抖颤等不利因素,针对空间在轨服务操作交互问题,提出一种基于增强虚拟安全通道(AVSC)的分层辅助遥操作(LAT)方法。首先,设计组合体增强虚拟安全通道,通过给主端操作者施加虚拟引导力辅助完成操作任务,与徒手操作相比,操作时间短、操作平稳;其次,设计分层辅助遥操作系统,通过获取空间机器人末端与期望轨迹上最近点之间的距离,在安全通道内划分不同的虚拟力场,辅助操作者更加灵活地操作。演示实验表明,该方法利用力触觉和视觉信息,引导操作者控制空间机器人末端运动至期望位置,可以有效地提高操作精度、减轻操作者心理压力和减少操作时间。     

遥操作系统中预测显示技术研究

通过虚拟预测技术对现有预测显示方法进行调研分析,提出了一种分类方法,有效地解决了遥操作中时延问题。针对目前计算机视觉领域的快速发展,提出一种基于视频流的在线重建模型的预测显示方法,该方法能够适应于非结构化的甚至是完全未知的环境,不仅能够解决机器人遥操作实验的时延问题,同时能够满足实时性的需求,文中指出了其关键技术。同时,实现了一个基于重建模型的预测显示原型系统,基于不同的时延条件,对通过时延视频构建的预测图像和真实采集到的图像进行了对比,验证了该方法能够补偿时延的影响,具有很好的预测效果。     

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。     

时延下空间遥操作机器人系统工作模式研究

工作在人机交互方式下的遥操作机器人是实现空间作业的有力手段。首先介绍了空间遥操作机器人系统的构成与工作原理，然后提出了基于临场感遥控技术、虚拟现实技术与自主控制技术相结合的多种工作模式，用于实现在不同条件下时延空间遥操作机器人系统的作业任务，并讨论了工作模式选择的方法。最后经模拟实验系统验证了所提出的工作模式的有效性。     

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。
     

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。     

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。     

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。     

自由飘浮空间机器人地面实验系统

针对空间机器人的运动的地面模拟,基于运动学等效原理提出一种用固定基座机器人模拟空间机器人运动的方法。运用该方法,在地面用两个基座固定的六自由度工业机器人组建了一套空间机器人的地面模拟系统。应用该系统成功模拟了自由飘浮空间机器人捕获自由运动目标的运动,实验结果证明了该方法的有效性。
     

空间遥控作业机器人系统的内模控制研究

针对空间遥控作业机器人系统通讯时延严重破坏系统性能的问题，为力反馈遥作业系统建立了内模结构，对系统的透明性和稳定性进行分析并给出了控制器设计结果。给出的控制方法不仅能兼顾系统在时延下的稳定性和透明性，而且可以实现主从机械手速度与力的动静态跟踪，使系统具有良好的力觉临场感。借助于内模结构，以透明性为目标的控制器设计独立于稳定性来进行，降低了设计的复杂度，增强了控制的灵活性。理论分析和仿真实验证明该方法有效。