趙 迪李世其朱文革李明富賈 陽

(1 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,武漢 430074)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

遙操作系統(tǒng)可以使機(jī)器人等智能設(shè)備代替人類工作在危險(xiǎn)、人類不能到達(dá)或人類不適于長期駐留的環(huán)境中。遙操作的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍決定了其主控端和從端的空間距離的分布,時(shí)延是一個(gè)不可避免的突出問題。實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)于通常意義下的雙向力反饋遙操作系統(tǒng),如果存在0.25s 的時(shí)延,就可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定,嚴(yán)重地降低人的操作感覺,進(jìn)而降低遙操作的效率和安全性。為了解決時(shí)延帶來的遙操作系統(tǒng)的透明性問題,很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究,主要采用的方法包括遙編程,預(yù)測控制和基于事件監(jiān)督控制方式[1-3]。傳統(tǒng)的解決方法是利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的預(yù)測圖形仿真技術(shù)來消除其影響,即建立一個(gè)虛擬的仿真環(huán)境,該虛擬仿真環(huán)境可以實(shí)時(shí)將操作結(jié)果反饋給操作者,而遠(yuǎn)端的機(jī)器人則在一定的時(shí)延后重復(fù)仿真結(jié)果,這樣就可使操作者面對(duì)虛擬仿真模型進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)操作,以克服時(shí)延的影響[4]。

在遙操作中,當(dāng)從端遠(yuǎn)離主端時(shí),兩者之間的通信時(shí)延是不可忽略的。例如,在地面站與行星軌道上的空間機(jī)器人之間的通信時(shí)延達(dá)到了3～6s[5-6]。當(dāng)采用傳統(tǒng)方法時(shí),在這樣大的通信時(shí)延下,可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外,遠(yuǎn)端的操作環(huán)境也可能因某些外界因素的作用而發(fā)生變化,而這些變化卻不能及時(shí)地在仿真中得到反映,因此如完全依靠虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)從圖形方面來預(yù)測遠(yuǎn)端的環(huán)境,必將大大降低系統(tǒng)處理突發(fā)外部事件的能力。在大時(shí)延下,力覺和視頻反饋的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于虛擬場景環(huán)境,這種時(shí)延大大影響了操作者對(duì)下一步動(dòng)作的判斷。如果依靠當(dāng)前反饋回來的信息做實(shí)時(shí)決策,那么這些反饋信息將是不可靠的;如果要依靠可靠的反饋信息來做決策,則需要采用運(yùn)動(dòng)—等待—運(yùn)動(dòng)的操作方式,這樣會(huì)大大降低遙操作的效率。由于以上這些因素的存在,希望純粹通過仿真模型來反映實(shí)際模型的運(yùn)動(dòng)情況是不可靠的。我們采用了在虛擬現(xiàn)實(shí)場景中加入虛擬的力反饋的方式,在場景中仿真遠(yuǎn)端環(huán)境實(shí)時(shí)對(duì)操作者給出力反饋,以取代遠(yuǎn)端反饋回來的力傳感器信號(hào),來幫助操作者做出實(shí)時(shí)決策。由于虛擬場景中的力反饋與實(shí)際的情況有差異,我們利用滯后的真實(shí)的傳感器信息去修正仿真模型,增強(qiáng)之后的力反饋效果,以獲得更好的沉浸感、交互性和系統(tǒng)的透明性。實(shí)際中我們采用的是CyberGrasp 力反饋數(shù)據(jù)手套來增強(qiáng)預(yù)測仿真的效果,提高人機(jī)交互的效率。

在航天設(shè)備維護(hù)中,機(jī)器人遙操作也發(fā)揮著重要的作用。德國航空航天中心(DLR)曾在1993年成功地實(shí)現(xiàn)了首次由地面遙操作哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上的機(jī)器人技術(shù)試驗(yàn)系統(tǒng)(Robotic Technology Experiment,RO TEX)。1999年日本成功地實(shí)現(xiàn)了首次機(jī)器人的艙外作業(yè)實(shí)驗(yàn)——工程試驗(yàn)衛(wèi)星-V II(Engineering Test Satellite V II,ETS-VII),它完成了兩個(gè)星載機(jī)器人系統(tǒng)間的交會(huì)、對(duì)接及遠(yuǎn)程遙操作實(shí)驗(yàn)。

本項(xiàng)目開發(fā)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人遙操作演示系統(tǒng),操作員可以通過遙操作外設(shè)對(duì)從端空間機(jī)器人進(jìn)行遙操作實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的臨場感遙操作,在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的輔助下通過虛擬外設(shè)(力反饋數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、立體眼鏡等)對(duì)裝載在航天器上的機(jī)械臂及其末端操作器進(jìn)行具有臨場感的遠(yuǎn)程主、從遙操作控制模擬。設(shè)計(jì)了時(shí)延模擬程序,在局域網(wǎng)內(nèi)模擬變延時(shí)5～8s 環(huán)境,建立時(shí)延狀況估計(jì)的模型。對(duì)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的預(yù)測仿真算法進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)了既定的變時(shí)延環(huán)境的預(yù)測仿真。開發(fā)了遙操作系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能,系統(tǒng)可以在操作員指導(dǎo)下的學(xué)習(xí),自動(dòng)推導(dǎo)完成類似的新任務(wù),包括任務(wù)重現(xiàn)和障礙規(guī)避等。在5～8s 模擬時(shí)延條件下完成了推開故障太陽翼,擦拭受污染的鏡頭和拉動(dòng)調(diào)整出現(xiàn)故障的衛(wèi)星天線等作業(yè)。

2 研究目的

通過研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)的空間機(jī)器人遙操作關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計(jì)遙操作軟件框架。實(shí)現(xiàn)變時(shí)延遙操作下的預(yù)測仿真,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明度;將虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)融合,通過遙操作外設(shè)(力反饋數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、立體眼鏡等)對(duì)裝載在航天器上的機(jī)械臂及其末端操作器進(jìn)行具有臨場感的遠(yuǎn)程主、從遙操作控制模擬;研究遙操作系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)功能,自主實(shí)現(xiàn)前面的動(dòng)作或者通過已學(xué)習(xí)過的任務(wù),自動(dòng)推導(dǎo)完成類似的新任務(wù)。

3 空間機(jī)器人遙操作的總體框架設(shè)計(jì)

本課題針對(duì)空間機(jī)器人作業(yè)這一背景構(gòu)建基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)器人遙操作系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)共分為從端子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信、主端子系統(tǒng)。主、從端子系統(tǒng)包含有不同的模塊,全部模塊組合在一起形成遙操作系統(tǒng)。系統(tǒng)采用組件結(jié)構(gòu)方式,除核心組件外,其他組件都可即插即用。采用數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。圖1 是系統(tǒng)功能模塊層次圖。

主端子系統(tǒng)分為用戶層和專家層兩層,主要實(shí)現(xiàn)用戶的交互操作和任務(wù)級(jí)遙操作規(guī)劃與執(zhí)行。

用戶層實(shí)現(xiàn)仿真模型構(gòu)建與交互控制操作,其中仿真模型包含幾何模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;交互控制包括交互輸入設(shè)備與力反饋設(shè)備。

專家層主要實(shí)現(xiàn)遙操作任務(wù)規(guī)劃、預(yù)測仿真和執(zhí)行控制。任務(wù)規(guī)劃功能通過接收用戶層的操作指令后,進(jìn)行任務(wù)分解和決策;采用模糊預(yù)測仿真方法對(duì)空間機(jī)械臂當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測仿真;當(dāng)仿真結(jié)果正確時(shí),將執(zhí)行控制指令通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給從端子系統(tǒng)進(jìn)行空間維護(hù)作業(yè)。

圖1 空間機(jī)械臂遙操作系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 Function module of space robot teleoperation system

從端子系統(tǒng)主要包括空間機(jī)械臂控制模塊、多傳感器信息采集和自主功能模塊等,主要實(shí)現(xiàn)空間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與傳感信息反饋等功能。

交互控制部分通過數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器、三維鼠標(biāo)等虛擬外設(shè)與虛擬環(huán)境交互,為操作者提供臨場感。

仿真環(huán)境模塊為操作者提供虛擬現(xiàn)實(shí)仿真場景。包括空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)樣品、實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、空間機(jī)器人及靈巧手的三維模型渲染。用遙操作外設(shè)通過運(yùn)動(dòng)映射來控制虛擬環(huán)境中的空間機(jī)器人與靈巧手,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多樣的運(yùn)動(dòng)。

任務(wù)級(jí)遙操作模塊實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃,對(duì)空間機(jī)器人的操作進(jìn)行步驟、任務(wù)的規(guī)劃,形成任務(wù)級(jí)操作指令。

預(yù)測仿真模塊實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的預(yù)測仿真,克服時(shí)延的影響,連續(xù)操作虛擬環(huán)境的模型。通過仿真運(yùn)行,顯示運(yùn)動(dòng)軌跡,驗(yàn)證指令序列。

預(yù)測仿真對(duì)虛擬空間機(jī)械臂及靈巧手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,能夠即時(shí)響應(yīng)操作人員執(zhí)行的任務(wù),進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng);通過仿真運(yùn)行,顯示和預(yù)測運(yùn)動(dòng)軌跡,驗(yàn)證指令序列。

執(zhí)行控制部分主要處理發(fā)送到從端的控制指令和從端傳回的傳感器信息,反饋到上層模塊。具體流程如圖2 所示。

圖2 預(yù)測仿真Fig.2 Predictive simulation

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 遙操作虛擬環(huán)境建模

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境為空間機(jī)器人遙操作提供一個(gè)與從端接近的操作環(huán)境,便于創(chuàng)建人機(jī)交互接口,提供視覺反饋和遙操作的預(yù)測仿真[7-10]。遙操作虛擬環(huán)境建模主要研究如下幾個(gè)方面。

4.1.1 三維場景建模

根據(jù)空間機(jī)器人遙操作的環(huán)境特點(diǎn),虛擬場景主要由機(jī)械臂、環(huán)境模型以及末端操作器(靈巧手)組成。本文采用OpenInventor 和VC++6.0 作為虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境平臺(tái)。在Pro/E 三維造型軟件中建立空間機(jī)械臂、末端操作和遙操作環(huán)境等3D 模型,

如果采用OpenInventor 直接導(dǎo)入這些幾何模型,數(shù)據(jù)量相對(duì)較大(靈巧手模型為10M)。經(jīng)轉(zhuǎn)換和簡化后,數(shù)據(jù)量大大縮小。

以O(shè)penInventor 里的默認(rèn)坐標(biāo)系為準(zhǔn),X 軸正向水平向右,Y 軸垂直向上,Z 軸垂直于屏幕向外。在根節(jié)點(diǎn)下坐標(biāo)系的單位是米。而局部坐標(biāo)系的單位由模型來定。通過.iv 文件的SoSeparator 節(jié)點(diǎn)、SoGroup 節(jié)點(diǎn)和SoTransform 節(jié)點(diǎn)建立遙操作虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的場景樹。其基本思路如圖3 所示。

4.1.2 場景中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

虛擬機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模需要指定虛擬手的每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)屬性,包括自由度和運(yùn)動(dòng)副等約束屬性,以及初速度、加速度、運(yùn)動(dòng)范圍或運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式等。

考慮到機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)繼承關(guān)系,系統(tǒng)采用父子節(jié)點(diǎn)的層次結(jié)構(gòu)建模的方法來進(jìn)行虛擬機(jī)械臂建模。用Transform 類節(jié)點(diǎn)來表示虛擬機(jī)械臂的各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié):通過改變它的值來控制各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂的裝配順序如圖4 所示。

圖3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的遙操作場景樹Fig.3 Scene tree of VR based teleoperation

圖4 空間機(jī)械臂裝配順序圖Fig.4 Assembly sequence of space robot arm

4.1.3 場景中的碰撞檢測

碰撞檢測主要有兩類:

第一類是防止某運(yùn)動(dòng)的物體或相機(jī)與虛擬環(huán)境中的其他物體之間相互滲透,當(dāng)兩物體接觸時(shí),搜索相互之間最近而不互相滲入的位置,最后相互粘在一起,搜索次數(shù)可人為調(diào)整,或者觸發(fā)一定的事件。

第二類是檢測虛擬環(huán)境中所有物體相互間是否存在交集,也就是是否存在兩個(gè)物體占有共同的三維空間。

碰撞檢測的算法采用的思想有兩種:計(jì)算兩物體的包圍合和計(jì)算組成兩物體的所有三角形。當(dāng)檢測到碰撞的情況時(shí),觸發(fā)相應(yīng)的回調(diào)動(dòng)作,并做出是否繼續(xù)進(jìn)行碰撞檢查的決定。

為了提高碰撞檢測的效率,需要濾掉不需要的數(shù)據(jù),以減少不必要的計(jì)算。常用的“過濾”方法有:分割過濾法、外接球體過濾法、AABBs(Axis-Aligned Bounding Boxes)技術(shù)和層級(jí)樹檢測碰撞。

實(shí)際應(yīng)用中,采用OpenInventor 開發(fā)包中所帶的碰撞檢測類(SoCollision M anager 和SoIntersection Detection Action)來實(shí)現(xiàn)碰撞檢測。碰撞檢測分兩步實(shí)現(xiàn):首先采用AABBs 技術(shù),來檢測包圍盒是否有碰撞;碰撞盒檢測通過后,且如果存在面片碰撞,再調(diào)用碰撞檢測中檢測面片的回調(diào)函數(shù),來確定精確的碰撞情況。采用這種方法一方面避免了在未發(fā)生碰撞時(shí),大量的面片碰撞檢測所消耗的硬件資源,另一方面可以保證檢測精度。

4.2 遙操作環(huán)境下的預(yù)測仿真

4.2.1 遙操作環(huán)境下的預(yù)測仿真方案

預(yù)測仿真方案框圖如圖5 所示。建立一個(gè)與從端環(huán)境相同的虛擬現(xiàn)實(shí)場景。在主端,操作者和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行交互操作,本地操作界面顯示發(fā)出操作指令后,從端機(jī)器人可能的動(dòng)作。如果仿真動(dòng)作合理,將指令發(fā)送給從端。本地操作界面有兩個(gè)虛擬機(jī)器人,其中一個(gè)為空間鼠標(biāo)和數(shù)據(jù)手套實(shí)時(shí)操作的虛擬對(duì)象,另外一個(gè)為預(yù)測的虛擬對(duì)象,通過對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的外推,對(duì)該對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測,以顯示目前遠(yuǎn)端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。操作員根據(jù)預(yù)測仿真的結(jié)果作出下一步判斷。通過空間鼠標(biāo)和數(shù)據(jù)手套等虛擬外設(shè)操作其中一個(gè)虛擬機(jī)器人,同時(shí)將指令發(fā)給遠(yuǎn)端的遙操作機(jī)器人,遠(yuǎn)端機(jī)器人響應(yīng)運(yùn)動(dòng)后將傳感器信息反饋到本地端,本地端通過預(yù)測算法預(yù)測目前機(jī)器人通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)延之后真正的位姿,送到預(yù)測虛擬機(jī)器人實(shí)時(shí)視覺顯示。

圖5 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的預(yù)測仿真方案Fig.5 VR based predictive simulation

4.2.2 預(yù)測算法研究

根據(jù)遠(yuǎn)端信息和本地預(yù)期控制指令,實(shí)時(shí)預(yù)測遠(yuǎn)端機(jī)器人對(duì)當(dāng)前指令的執(zhí)行狀況,這樣可以等效于一個(gè)沒有時(shí)延的視頻反饋,為操作者提供實(shí)時(shí)的信息,從而可以避免由時(shí)延帶來的系統(tǒng)的擾動(dòng)。

假設(shè)當(dāng)前時(shí)間為k,單向時(shí)間延遲為Td, 傳感器發(fā)送時(shí)間間隔為Δt, 令N =|Td/Δt|,k 時(shí)刻本地命令期望位置為u(k),k 時(shí)刻可以獲得的機(jī)器人位置(末端位置或者各關(guān)節(jié)角位置)為x(k -N), 預(yù)測的目的是根據(jù)u(k -2N)到u(k)的指令序列和x(k -N)來預(yù)測x(k +N), 即

x(k +N)=F[x(k -N),u(k -2N),u(k -2N +1), …,u(k)]。時(shí)延補(bǔ)償與預(yù)測關(guān)系如圖6 所示。

圖6 時(shí)延補(bǔ)償與預(yù)測關(guān)系示意圖Fig.6 Time-delay compensation and predictive display

可以得出

其中r(k -N)(0 ≤r(k-N)≤1)與主從端任務(wù)執(zhí)行速度的比值有關(guān),F 為當(dāng)前預(yù)測值與指令序列和以前得到的位置信息的映射關(guān)系:

其中v 為可折疊機(jī)構(gòu)固定最高執(zhí)行速度, Δt 為傳感器信息采集時(shí)間間隔。由于應(yīng)用環(huán)境時(shí)延, T d在短時(shí)間內(nèi)可以視為一定值,在短時(shí)間內(nèi)的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響不大。當(dāng)檢測到時(shí)延發(fā)生大的改變時(shí),修正Td值,以適應(yīng)變化的時(shí)延。

4.3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)的臨場感操作

基于虛擬外設(shè)的交互操作主要功能為:采集虛擬外設(shè)數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)更新虛擬場景中機(jī)械臂與靈巧手的數(shù)據(jù),發(fā)送到遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)遙操作。

在系統(tǒng)中加入力反饋控制方法,實(shí)現(xiàn)了觸覺的模擬,使人機(jī)交互更加真實(shí)、自然,在對(duì)操作人員的前期培訓(xùn)方面也有積極的作用。

采用的力反饋設(shè)備主要是Immersion 公司的CyberGrasp。采用Immersion 公司提供Virtual-Hand SDK 軟件開發(fā)包提供的一些類,在VC 的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。本文采用根據(jù)對(duì)實(shí)際材料進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)來進(jìn)行虛擬力的外推的方法,獲得平滑的力反饋輸出。力覺傳感器將真實(shí)場景的力覺信息反饋到主端,當(dāng)真實(shí)反饋的力覺信息和虛擬力計(jì)算的初始值有差異時(shí),用反饋信息修正計(jì)算模型中的參數(shù),以使下一次虛擬力計(jì)算更接近真實(shí)值。由于該外推方法是基于實(shí)際材料的特性而進(jìn)行的,具有很高的真實(shí)性,同時(shí)通過反饋的傳感器信息更新來獲得新的虛擬力,避免了累積誤差。

4.4 遙操作系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能

空間機(jī)械臂的學(xué)習(xí)功能包括示教學(xué)習(xí)、案例學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等部分[11]。示教學(xué)習(xí)就是將示教過的任務(wù)完整重現(xiàn)出來,案例學(xué)習(xí)則是指能夠在已有示教案例的基礎(chǔ)上,在局部空間完成新的動(dòng)作,強(qiáng)化學(xué)習(xí)是指從環(huán)境狀態(tài)到動(dòng)作映射的學(xué)習(xí)。機(jī)械臂依據(jù)一定的策略針對(duì)不同的環(huán)境狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。實(shí)際應(yīng)用中,通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)避障算法,有效地規(guī)避空間中的4 個(gè)障礙物并趨近目標(biāo)完成操作,在虛擬場景中得到驗(yàn)證,驗(yàn)證了算法的正確性和有效性。

采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的Sarsa 算法作為系統(tǒng)的基本控制策略,結(jié)合有效跡(effective trace,作為強(qiáng)化學(xué)習(xí)中回溯的長度)對(duì)策略中的狀態(tài)s 和動(dòng)作a 進(jìn)行值函數(shù)Q(s,a)估計(jì)。最大Q 值對(duì)應(yīng)的動(dòng)作a′,成為下一步正確動(dòng)作的概率最大,計(jì)算偏差,更新Q 表,進(jìn)行下一輪循環(huán),直到狀態(tài)s 符合設(shè)定的目標(biāo)為止[12]。圖7 為障礙規(guī)避的過程模擬,所得的結(jié)果可以為實(shí)際操作所用。

5 實(shí)驗(yàn)情況

圖7 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的空間機(jī)器人障礙規(guī)避Fig.7 Obstacle avoidance of space robot based on reinforcement learning

采用空間鼠標(biāo)和數(shù)據(jù)手套等虛擬外設(shè)在武漢通過Internet 對(duì)位于哈爾濱的可折疊機(jī)構(gòu)、S taubli Rx60 機(jī)器人和靈巧手進(jìn)行了遙操作控制(包括推太陽翼、拉天線板和擦鏡頭的任務(wù))以及傳感器信息的反饋,同時(shí)加入了基于directshow 的網(wǎng)絡(luò)視頻反饋功能。實(shí)際操作情況良好,任務(wù)完成到位。實(shí)現(xiàn)了大、變時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)遙操作。

具體實(shí)驗(yàn)過程如下(以拉天線板操作為例):

1)開啟遠(yuǎn)端(哈工大)的機(jī)器人指令接收和傳感器信息反饋服務(wù)器;

2)開啟遠(yuǎn)端的視頻反饋服務(wù)器;

3)本地客戶端連接虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè);

4)客戶端與服務(wù)器端建立連接,接收傳感器數(shù)據(jù);

5)通過宏指令控制可折疊機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到安全位置;

6)通過空間鼠標(biāo)操作可折疊機(jī)構(gòu)移動(dòng)到天線板把手上方;

7)通過宏指令控制可折疊機(jī)構(gòu),自動(dòng)定位到把手上方;

8)通過數(shù)據(jù)手套遙操作靈巧手抓握天線板;

9)通過空間鼠標(biāo)操作可折疊機(jī)構(gòu)移動(dòng),拉動(dòng)天線板展開;

10)拉到位之后,靈巧手放開;

11)手動(dòng)操作可折疊機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離天線板手;

12)手動(dòng)操作可折疊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到一個(gè)較為空曠的安全位置;

13)通過宏指令控制可折疊機(jī)構(gòu)自動(dòng)復(fù)位。

遙操作主端界面如圖8 所示。

通過對(duì)比預(yù)測仿真結(jié)果與視頻反饋,發(fā)現(xiàn)在一般網(wǎng)絡(luò)時(shí)延情況下,從端跟隨效果良好,預(yù)測效果也很好;在固定時(shí)延和變時(shí)延情況下,當(dāng)主端速度較快時(shí),從端跟隨有一定的波動(dòng),但是預(yù)測結(jié)果和反饋結(jié)果的相似(提前一倍雙向時(shí)延),一定程度上彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。在空間維護(hù)作業(yè)中,可以有效地通過該方法彌補(bǔ)時(shí)延對(duì)遙操作作業(yè)帶來的影響。

圖8 遙操作空間機(jī)器人主端界面Fig.8 Master side of space robot teleoperation interface

6 結(jié)束語

本文研究了變時(shí)延遙操作下的預(yù)測仿真技術(shù)。通過預(yù)測仿真在主端操作界面中仿真了從端環(huán)境和從端空間機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),克服變時(shí)延實(shí)現(xiàn)對(duì)從端機(jī)器人操作,完成遙操作維護(hù)任務(wù);實(shí)現(xiàn)了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的臨場感遙操作。所設(shè)計(jì)的遙操作系統(tǒng)自主學(xué)習(xí)功能,可以完成任務(wù)重現(xiàn)和障礙規(guī)避功能,有力地支持了基于虛擬現(xiàn)實(shí)的空間機(jī)器人遙操作的發(fā)展。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的空間機(jī)器人遙操作可以應(yīng)用于在軌衛(wèi)星、航天器的維護(hù)、維修,也可應(yīng)用于空間對(duì)接和空間科學(xué)實(shí)驗(yàn),對(duì)空間科學(xué)研究具有重要意義。

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