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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

FS-SEA柔性臂改进的反馈计算力矩控制方法

对于基于FS-SEA(力源串联弹性驱动器)的柔性关节机械臂,当其动力学模型已知时,反馈计算力矩法是一种非常直观的控制方法。但是对于一个动力学参数难以精确确定,并且可能受到冲击扰动的系统来说,传统的反馈计算力矩法难以进行稳定地控制。在传统的反馈计算力矩法基础上,提出了一种改进的控制方法。通过在控制律中引入自适应补偿项,保证了控制系统在机械臂动力学参数或所受外力无法精确估计情况下的渐近稳定性;通过在系统的加速度指令之后引入低通滤波环节,大幅度增强了控制系统抵抗外部冲击的能力。仿真实验证明,利用改进的反馈计算力矩法对FS-SEA柔性机械臂进行控制,不仅能够保证系统稳定性,实现高精度轨迹跟踪,而且使控制系统具有很强的抗冲击能力。     

基于可伸缩机构的空间机械臂系统设计

空间机械臂在发射阶段往往要求较小的包络,在空间应用阶段又需要足够大的操作范围和很高的操作精度,单一构型的空间机械臂很难满足以上需求。为此提出一种臂杆可伸缩的自重构空间机械臂:当机械臂处于收缩状态时,发射包络小、操作精度高;当机械臂处于伸长状态时,可达范围大。仿真验证结果表明:设计的等截面可伸缩臂杆提高了机械臂的适应能力。     

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。     

大臂展空间机械臂运动学参数精确标定

大臂展空间机械臂,由于臂杆的几何参数误差及柔性等因素将会导致其末端定位产生很大误差,然而在某些空间作业时对机械臂末端定位精度要求较高,为了获得其准确的运动学参数,提出了一种线性标定机器人运动学参数的简便方法。以一个7自由度空间机械臂为研究对象,采用D-H建模方法建立了机器人运动学模型,基于该模型建立了机器人运动学误差模型,最后通过计算机器人末端的位姿误差,标定了该机器人的运动学参数。仿真实验表明该标定方法有较高的精度,并且该方法操作简单、便于实际应用。     

基于Kinect的七自由度空间机械臂体感控制方法

针对七自由度空间机械臂的体感控制问题,提出了一种基于操作周期和运动周期的增量式关节角人机运动映射方法。使用Kinect传感器采集人体关节点坐标数据并使用空间向量法计算关节角,根据关节角增量及手势命令计算得到机械臂关节角。为解决关节坐标数据的抖动与失真问题,分析了Kinect对不同关节点采集的数据精度的关系,并给出一种限幅平滑滤波算法。结合上述结果,提出对操作周期进行分段的方法,并给出了优化后的体感控制算法。最后,搭建了空间机械臂体感控制的仿真试验平台,在Unity中搭建仿真试验场景,经体感控制下的空间机械臂运动试验验证了所提出方法的可行性。     

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。