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。     

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。     

基于环境建模与修正的视觉/力觉辅助遥操作系统

为增强空间遥操作系统的力交互性,提出了一种基于视觉/力觉辅助的空间遥操作系统。结合虚拟现实技术,借助力觉反馈设备搭建了基于虚拟3D视觉反馈和虚拟力觉反馈的空间遥操作实验平台。使用KINECT相机采集3D点云数据,采用滑动最小二乘法(SLSM)在线识别未知环境中的模型参数并更新本地虚拟环境。通过虚拟预测环境产生实时的视觉、力觉反馈。基于人工势场的共享控制方法,产生引力或斥力信号来增强操作者控制远端机器人的避障及接近操作目标的能力。该方法在7自由度Schunk机械臂上得到了实现,实验表明此方法能够克服2 s时延影响并显著提高操作效率。     

基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划

根据多机器人系统无碰撞运动的需要,对其工作空间进行了分解,确定了机器人运行路线上的各个可能路径点,从而得到了规划空间的多路径点链接图描述。基于这种对规划空间的链接图建模描述,开发了一种混合遗传算法用于寻找多个机器人的无碰撞协调运动路线。仿真结果表明,这种方法可有效地解决复杂规划空间下的多机器人路径规划问题。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

月球车地面遥操作技术发展现状与未来展望

针对月球车在地球-月球大通信时延、月表复杂环境下的地面遥操作技术进行了分析，回顾了苏联、美国、中国已成功发射月球车的控制技术或者远程控制技术现状。为了解决当前月球车采用的“移动-等待”模式低效率难点，结合地面轮式移动机械臂在运动学约束、小时延、多自由度映射等方面的技术现状，从通信时延及时延补偿策略、月表松软月壤带来的纵向/侧向滑动、机器人遥操作理论等3个方面，对月球车进行连续遥操作所面临的关键技术进行了梳理。最后，对未来月球探测工程中的月球车地面遥操作技术发展方向进行了展望。     

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。     

空间多机器人协同的多视线仅测角相对导航

研究了空间多机器人对非合作目标的多视线协同仅测角相对导航问题。为利用多视线信息融合提升仅测角相对导航性能,给出了一种可观测度优化的多视线仅测角相对导航方法。首先基于二阶CW方程构建了中心机器人与目标相对动力学模型和状态方程,并构建了仅包含多伴飞机器人视线角的观测方程,结合扩展卡尔曼滤波算法,形成多视线仅测角相对导航系统;然后分析推导得到可观度最优的视线间夹角条件,提出了兼顾可观测度和长期自然维持的多伴飞机器人观测构型优化方法;最后,数学仿真结果表明,提出的多视线仅测角相对导航系统、可观测度最优的视线夹角条件和观测构型优化方法,可以显著提高距离状态可观测度和估计性能,且具有较好的工程可用性。     

空间遥操作人体动作捕捉相似性控制方法

针对传统空间遥操作控制方法灵活性不足的问题,提出了一种ATSMS(Adaptive Terminal Sliding Mode Similarity,自适应终端滑模相似性)控制方法。该方法在利用动作捕捉技术采集操作者手臂末端位置和关节角数据的基础上,设计了ATSM(Adaptive Terminal Sliding Mode,自适应终端滑模)控制器,精确控制空间机器人的末端位置;还设计了钳位速度,控制机器人关节构型趋向于操作者手臂关节构型,且不会影响末端位置的精确控制。数值仿真和地面实验结果表明,ATSMS控制方法可以实现操作者对空间机器人末端位置的精确控制和关节空间的灵活控制,末端位置控制精度约为97.58%,操作者手臂与机器人关节空间平均相似度高达99.06%。因此,ATSMS控制方法提高了空间遥操作的灵活性,可以应用于未来更为精细和复杂的空间遥操作任务中。     

多关节机器人的计算机控制

扼要介绍了用几何法求解ＤＧＲ—５Ａ型电动机器人运动学的逆问题．阐述了使用一台微机实现对ＤＧＲ—５Ａ机器人五关节集中控制的方案．这种控制方法硬件结构简单，软件层次清晰，操作方便。在腰关节及腕关节上调试后，效果较为理想。     

Virtual Reality-based Teleoperation with Robustness Against Modeling Errors

This article investigates virtual reality (VR)-based teleoperation with robustness against modeling errors. VR technology is an effective way to overcome the large time delay during space robot teleoperation. However, it depends highly on the accuracy of model. Model errors between the virtual and real environment exist inevitably. The existing way to deal with the problem is by means of either model matching or robot compliance control. As distinct from the existing methods, this article tries to combine model matching and robot compliance control. On one hand, the status of the virtual robot is corrected by using the position sensor data from robot joints before and during teleoperation, and the pose of the virtually manipulated object is obtained with visual recognition technology. On the other hand, compliance control algorithms of impedance control based on joint torque sensors and hybrid position/force control based on a wrist sensor have been executed in order to eliminate the small sustaining model errors. A VR-based teleoperation system of satellite on-orbit self-serving is built up. In order to verify the proposed method, an experiment deploying the solar panel troubled by malfunction is carried out through teleoperation. It shows that the large model errors are removed with the model matching method and the adopted compliance control is robust against the remaining small model errors.     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制

 探讨了本体位置与姿态均不受控的漂浮基空间机器人在时间延迟(简称时延)情况下惯性空间轨迹跟踪的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学模型及运动Jacobi关系.以此为基础,针对系统存在时延的情况,利用泰勒级数预测、逼近的方法,建立了适用于时延情况下控制系统设计的数学模型.利用该模型,提出了一种空间机器人在时延情况下的改进非线性反馈控制方案.然后运用Lyapunov第二类方法,结合范数以及图形分析的方法证明了在时延情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性.文中提到的控制方案能够有效地克服系统存在时延的影响,控制漂浮基空间机器人末端爪手跟踪惯性空间的期望轨迹.系统数值仿真结果证明了上述控制方案的有效性与精确性.     

Space robotics in the '90s

This article describes the use of robots to perform work in space. In particular, telerobotics, which uses human operators to control the movement and operation of the robots, are explored. The relationship between the human operator and the robot is very complex but these systems are being used to explore planetary surfaces and will also be used in the construction of the space station. Research being conducted at NASA facilities is described, providing a picture of the future of space robotics.     

Haptic based teleoperation with master-slave motion mapping and haptic rendering for space exploration

This paper presents a new solution to haptic based teleoperation to control a large-sized slave robot for space exploration, which includes two specially designed haptic joysticks, a hybrid master-slave motion mapping method, and a haptic feedback model rendering the operating resistance and the interactive feedback on the slave side. Two devices using the 3 R and DELTA mechanisms respectively are developed to be manipulated to control the position and orientation of a large-sized slave robot by using both of a user's two hands respectively. The hybrid motion mapping method combines rate control and variable scaled position mapping to realize accurate and efficient master-slave control. Haptic feedback for these two mapping modes is designed with emphasis on ergonomics to improve the immersion of haptic based teleoperation. A stiffness estimation method is used to calculate the contact stiffness on the slave side and play the contact force rendered by using a traditional spring-damping model to a user on the master side stably. Experiments by using virtual environments to simulate the slave side are conducted to validate the effectiveness and efficiency of the proposed solution.     

基于自由权矩阵的时变时延线性群系统编队控制

研究了基于自由权矩阵方法的时变时延线性群系统编队控制问题。首先,基于一致性理论,设计了具有时变时延的线性群系统编队控制协议。其次,通过变量代换,将时延条件下的线性群系统编队控制问题转化为时延系统的镇定问题。构造Lyapunov-Krasovskii函数,并利用自由权矩阵方法对时延系统的镇定问题进行分析,得到了保守性较小的线性矩阵不等式（LMI）判据,并求解出时延上界和编队控制器增益。最后,通过仿真实验,验证了方法的有效性。     

Formation tracking control for time-delayed multi-agent systems with second-order dynamics

In this paper, formation tracking control problems for second-order multi-agent systems (MASs) with time-varying delays are studied, specifically those where the position and velocity of followers are designed to form a time-varying formation while tracking those of the leader. A neigh-boring relative state information based formation tracking protocol with an unknown gain matrix and time-varying delays is presented. The formation tracking problems are then transformed into asymptotically stable problems. Based on the Lyapunov-Krasovskii functional approach, condi-tions sufficient for second-order MASs with time-varying delays to realize formation tracking are examined. An approach to obtain the unknown gain matrix is given and, since neighboring relative velocity information is difficult to measure in practical applications, a formation tracking protocol with time-varying delays using only neighboring relative position information is introduced. The proposed results can be used on target enclosing problems for MASs with second-order dynamics and time-varying delays. An application for target enclosing by multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) is given to demonstrate the feasibility of theoretical results.