精细操作能力测试方法设计与应用

针对机械臂遥操作、交会对接等手柄操作任务对手柄精细操作能力的需求,基于C++程序开发平台,开发了一套用于测试包括航天员在内的操作员手柄精细操作能力的软件,该软件主要包括离散运动控制和连续运动控制2大类共5个精细操作能力测试模块.通过对各模块进行信效度检验,结果表明:各模块具有良好的内部一致性信度、重测信度和内容效度;定...     

立体信息不同缺失水平下基本认知能力在遥操作任务中的作用研究

针对具体的遥操作任务中与遥操作相关的认知功能在不同立体信息缺失水平下对操作绩效、情境意识水平的影响,对24名受试者开展机械臂遥操作模拟任务实验和6项基本认知能力测试,采用相关性分析方法分析了各项认知能力在遥操作任务中的作用。试验结果表明,空间能力、运动控制能力和持续注意水平与任务的完成率以及操作的安全性、高效性紧密相关;注意分配能力、心理旋转能力在局部立体信息缺失的情境下,对保持机械臂遥对接任务的各项绩效指标的稳定、保障任务的顺利完成作用显著。因此,根据任务要求以及航天员自身特点有针对性地开展认知能力训练,合理分配在轨任务,有利于提高训练效果、保障在轨任务的顺利完成。     

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。     

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)。     

手控交会对接任务认知行为建模

载人航天器的手控交会对接因为有航天员的参与而显得十分复杂,须开展交会对接过程中人的认知行为建模,以确保任务的成功率和控制的灵活性。通过对手控交会对接任务认知行为和操作绩效的分析,基于一种QN-ACTR认知体系框架,提出了将认知行为融入于人机交互的建模方法;建立了符合手控交会对接操作的认知行为模型;进行了模型进行有效性仿真验证;表明了此建模方法可以将人的行为绩效视为人机系统绩效的补充并进行交互的整体分析。     

空间机械臂辅助大质量舱体对接阻抗控制方法

针对空间机械臂辅助大质量舱体对接任务中,由于大臂展机械臂柔性、控制误差、机械误差等因素,导致末端位置精度差、对接机构偏离对中位带来的对接困难的问题,提出采用阻抗控制的方法。分析了对接任务中的模拟对接机构的特性,发现其受到的碰撞力与对中位姿偏离方向具有一致性,验证了阻抗控制算法的可行性;针对六维力传感器安装位置距离对接机构较远、惯性力影响严重的问题,提出了六维力信号补偿算法,保证了阻抗控制计算的正确性;进行了仿真实验,结果表明采用阻抗控制算法能在保证对接成功的前提下,有效减小接触力大小。     

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。     

机械臂遥操作任务过程脑力负荷研究

脑力负荷是影响机械臂遥操作绩效的重要因素,通过提取机械臂遥操作过程的自发脑电功率谱特征以及非线性动力学特征,结合机械臂遥操作的三阶段操作理论,分析了操作过程脑力负荷变化规律,以及各阶段的主要认知负荷来源。实验表明:自发脑电功率谱指标能有效评估遥操作过程被试的脑力负荷水平,非线性指标能有效评估思维活动水平。在遥操作中,脑电功率谱能量逐渐向高频段转移,脑力负荷水平逐渐升高;前两阶段的非线性动力学特征值显著高于最后阶段,在第二阶段达到最大,与被试的思维活动强度变化规律相同。前两阶段被试脑力负荷主要来源于空间认知,第三阶段负荷主要来源于距离和角度偏差认知及任务压力。根据遥操作任务过程的脑力负荷变化规律及负荷的主要来源针对性提供信息补偿,完善任务设计,可降低航天员在各个阶段的脑力负荷水平,对保障遥操作任务的完成有一定指导意义。     

机械臂辅助舱段转位轨迹跟踪控制与精度分析

舱段转位是空间站机械臂的核心任务之一,舱段转位过程中的高精度控制是保证实验舱与核心舱径向对接的重要前提。通过建立转位过程的高保真度仿真模型,分析了不同的整臂控制策略及关节控制策略对转位过程中机械臂轨迹跟踪精度的影响;指出了提高整臂控制精度需要整臂控制和关节控制协调设计,提高关节伺服控制带宽和降低关节目标速度频率都是提高机械臂末端跟踪精度的有效方法。     

3R欠驱动机械臂轨迹跟踪实验研究

以含有一个自由关节的3R欠驱动机械臂为研究对象,对其轨迹跟踪进行了实验研究.搭建了3R欠驱动机械臂实验装置及其控制系统,利用主、被动关节间的动力学耦合作用,针对圆弧轨迹跟踪任务,分别在无干扰与有干扰的情况下得到实验结果,结果表明,实验具有较高的控制精度以及较强的抗干扰能力.     

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。     

手控交会对接中操作者的情境意识和脑力负荷研究

为探究不同任务难度和技能水平下志愿者的情境意识水平和脑力负荷差异,以手控交会对接操作为主任务,招募了15名初学者水平志愿者和12名专家水平志愿者进行实验,每名志愿者进行6次手控交会对接操作,包含3次低任务难度操作和3次高任务难度操作,每次操作完成后填写SART主观量表和NASA-TLX主观量表。研究结果表明:高任务难度操作中操作者的注意集中程度显著高于低任务难度(P<0.05);专家水平操作者的警觉水平和对信息的获取和理解水平显著高于初学者水平操作者(P=0.001和P<0.001);高任务难度操作中操作者在脑力需求方面的负荷显著高于低任务难度(P=0.001);专家水平操作者在脑力需求和时间压力方面的负荷显著低于初学者水平操作者(P=0.001和P<0.001)。研究结果可为航天员手控交会对接训练设计及评价提供理论参考。     

空间站机械臂捕获悬停飞行器试验系统设计与验证

捕获悬停飞行器是中国空间站机械臂的关键任务之一,由空间站机械臂实现悬停飞行器的捕获、拖动和锁紧,形成刚性连接并辅助对接。在分析和比较国内外空间悬停飞行器捕获试验技术的基础上,设计了一种用于大型空间机械臂捕获悬停飞行器的地面试验系统,该系统主要由空间机械臂、气浮零重力模拟系统、机械臂位姿测量系统、悬停飞行器模拟移动装置、模拟移动装置测量系统组成。仿真分析和地面试验,结果表明：该试验系统可实现对低速到高速的动态模拟目标的跟踪捕获,满足空间机械臂捕获悬停飞行器试验任务需求,完成了机械臂捕获悬停飞行器技术在近似真实使用环境中的验证。     

空间机械臂技术发展综述

介绍了国外载人航天中的航天飞机、国际空间站上的典型空间机械臂系统,概述了用于我国空间站建造和维护任务的空间站机械臂系统,详述了其中核心舱机械臂和实验舱机械臂的任务要求和基本方案,重点阐述了实验舱机械臂的关节、末端作用器、控制器以及遥操作子系统的方案、组成和主要功能,并对我国未来空间机械臂技术的发展提出了建议。     

空间站机械臂关键技术研究

我国空间站机械臂承担舱段转位、辅助对接、舱外设备安装及维修等关键任务,具有大负载、高精度、高可靠等特点,涉及机、电、热、光、控等多学科技术交叉耦合,高度集成且研制难度巨大。在分析、比较国内外机械臂的基础上,提出了我国空间站七自由度冗余、分布式控制、位置可移动的机械臂技术方案,并阐述了高精度伺服控制、多约束路径规划等八类关键技术研究成果。空间站机械臂已具备了工程化实施条件,为我国空间站工程建设奠定了基础。     

空间机械臂精度分析研究与软件实现

空间机械臂末端位姿精度影响因素众多,其中装配间隙、控制器误差以及环境因素等引起的随机误差难以消除,严重限制了空间机械臂在高精度任务场合的应用.为深入研究大型空间站机械臂末端位姿精度,采用修正D-H运动学参数建模理论,考虑几何参数及空间环境对机械臂末端位姿精度影响,提出了一种适用不同任务构型工况的冗余操作空间机械臂精度快...     

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。     

负性情绪对典型航天任务绩效的影响

为了研究负性情绪对典型航天任务绩效的影响规律,利用MATB任务平台的监督任务和跟踪任务模拟典型航天任务,采用情绪视频诱发负性和中性情绪状态,通过任务绩效和主观量表评价来研究负性情绪状态对典型航天任务实验绩效的影响。研究发现监督任务和跟踪任务的绩效随任务负荷增加而下降,负性情绪状态和任务负荷对监督任务的ACC绩效指标有显著交互作用,情绪状态对跟踪任务绩效存在显著影响;监督任务绩效在较高任务负荷时负性情绪状态的任务绩效低于中性情绪状态;较高任务负荷水平的跟踪任务绩效和操作者工作负荷水平易受情绪状态影响,相较于中性情绪状态而恶化;情绪状态对任务绩效的影响与任务类型和任务负荷相关,涉及较高任务负荷的复杂认知任务受情绪状态的影响强度更高。     

用于空间站组建的平面式转位方案设计

针对中国空间站工程规划,借鉴和平号空间站的组建经验,提出了一种不同于和平号空间站翻转式转位方案的空间站建造方案,即平面式转位技术方案。首先,通过对接机构实现实验舱与核心舱的轴向对接;利用平面式转位机构将实验舱转位至侧向对接口,并支持对接机构完成侧向对接。然后,通过对转位机构进行任务及功能分析、构型分析、自由度分析,确定了平面式转位机构工作原理、具体组成及布局、系统工作过程以及工作时序。最后,将平面式转位方案与机械臂和翻转式转位方案进行对比,为空间站工程提供参考。     

一种长行程小型化对接机构设计与分析

针对故障航天器和太空垃圾的在线对接与操作问题,基于非合作目标对接技术的要求和特点,提出了一种以卫星远地点发动机喷管为对接接口的长行程小型化的对接机构方案。设计了对接机构的具体结构并建立其三维模型,并根据此模型,对对接机构的包络范围进行了求解分析;使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真,研究了对接过程中目标喷管的运动学特性,分析了末端机构与目标的碰撞接触情况及机械臂中各关节受力情况。计算与仿真结果表明:所提对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接。