朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)問題

朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

論述了空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵，指出其與其它人機關(guān)系相比具有平等性、獨立性和協(xié)同性的特點；分析了國內(nèi)外相關(guān)研究情況，得出目前人機協(xié)同作業(yè)研究大多集中在人機交互領(lǐng)域，缺乏對頂層的研究；指出需要重點關(guān)注的人機任務(wù)分配、人機安全控制和人機信息交互三個關(guān)鍵問題，并提出了我國開展空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)的發(fā)展建議，如與遙操作技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合、充分注重在軌演示、應(yīng)當先采用人主機輔的模式等。

人機協(xié)同；空間任務(wù)；內(nèi)涵；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

隨著空間科學、空間應(yīng)用和在軌服務(wù)需求的不斷增加，要求航天員開展越來越多的空間作業(yè)。未來載人登月或月球基地工程的實施，更是需要航天員進行月面勘探、采樣，乃至于原材料冶煉、建筑材料生產(chǎn)、基地建筑建造等一系列復(fù)雜作業(yè)。但是由于微（低）重力的影響，航天員容易產(chǎn)生運動感覺紊亂、失去定向以及肌肉緊張度過高等問題；航天員活動還將受到航天服、光照、心理恐慌等因素的制約，工作能力有很大程度的下降［1］。為提升任務(wù)的成功率，減小航天員工作負荷和風險，采取人與機器人協(xié)同作業(yè)，不僅能使人的形象思維、直覺判斷和工作經(jīng)驗與長期存儲、可精確推理與快速數(shù)據(jù)處理的機器人的人工智能有機融合，同時還能使人的靈活操作與機器人的快速與精確操作無縫結(jié)合，有效發(fā)揮人機的整體優(yōu)勢，從而確?？臻g任務(wù)的順利實施。相對于地面任務(wù)，載人航天任務(wù)中人機協(xié)同關(guān)系更為復(fù)雜，技術(shù)難度更大。目前，國外正在積極開展空間任務(wù)人機協(xié)同研究，美國航空航天局（NASA）還進行了人機協(xié)同作業(yè)的模擬試驗，國內(nèi)則主要是集中于人機交互技術(shù)研究?？偟膩碚f，目前對人機協(xié)同的研究仍以機器人為主，缺乏對人機關(guān)系的頂層研究。本文將對空間任務(wù)中人機協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵、發(fā)展思路及關(guān)鍵問題進行研究，為空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)的發(fā)展提供參考。

2 空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)內(nèi)涵

人機協(xié)同的“機”可以是計算機、機器或機器人，本文中的空間任務(wù)人機協(xié)同中的“機”專指機器人。人與機器人的關(guān)系包括人機協(xié)同、機器人遙操作、人機結(jié)合、人機聯(lián)合［2］等概念。這些概念在含義上既有相似之處，也有區(qū)別［3］。目前，尚無人機協(xié)同統(tǒng)一的定義，學者們的研究也未嚴格區(qū)分各種人機關(guān)系。本文認為空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)是指航天員與機器人密切配合，相互協(xié)作，共同完成特定的空間任務(wù)。從其概念可以看出，人機協(xié)同包含兩個要素：人機分工和人機耦合。人機分工要求充分發(fā)揮人機各自的特長；人機耦合則是人機信息的交互和行為的互助，發(fā)揮人機的整體優(yōu)勢。

相對于其它人機關(guān)系，人機協(xié)同作業(yè)中，人與機器人之間的關(guān)系有以下特征：

（1）平等性。機器人和協(xié)同作業(yè)航天員處于相對平等的地位，即兩者是“同事”關(guān)系，而不是“控制”與“被控制”的關(guān)系，但可以是“領(lǐng)導(dǎo)”與“被領(lǐng)導(dǎo)”的關(guān)系。機器人不是航天員作業(yè)的執(zhí)行末端，航天員也不是機器人的控制中心，但是航天員也可以對機器人采取現(xiàn)場程序調(diào)制或應(yīng)急控制等措施。

（2）獨立性。機器人與航天員是兩個相對獨立的實體，具備單獨作業(yè)能力。機器人可以是自主控制，也可以是遙操作控制，或是兩者結(jié)合，脫離了協(xié)同作業(yè)的航天員也能獨立工作。這與人機結(jié)合有顯著區(qū)別。

（3）協(xié)同性。機器人與航天員必須有交流和配合，以合作的方式共同完成某項空間任務(wù)。人機協(xié)同并非是航天員和機器人的簡單組合，而是按照一定關(guān)系、模式組合起來的“整體”。機器人和航天員不僅能進行信息的交互，還可以進行行為的互助和任務(wù)的動態(tài)調(diào)整。如果只強調(diào)人與機器人共同完成任務(wù)，則屬于人機聯(lián)合的范疇。

由于作業(yè)環(huán)境和任務(wù)特點的不同，空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)相對于地面人機協(xié)同作業(yè)有以下特點：

（1）人機交互難度大。在真空、微（低）重力、空間輻射環(huán)境下，航天員活動還受到航天服的約束，這都不利于航天員和機器人之間的信息交互，為深化人機交互程度增加了難度。

（2）同時存在多人間協(xié)同。機器人由于智能化程度不足，更多時候還將依靠遙操作進行，協(xié)同作業(yè)航天員不僅需要與機器人進行協(xié)作，還將時刻與機器人操作人員、地面監(jiān)視和技術(shù)支持人員進行信息交互，如圖1所示。因此實際上作業(yè)航天員需要與多人及機器人進行協(xié)同作業(yè)。而天地延時現(xiàn)象的存在，為這種協(xié)同作業(yè)增加了更大的難度。

（3）人機功能動態(tài)分配。實施空間任務(wù)時，由于存在很多未知情況，如在地外天體表面作業(yè)時，人類對地外天體表面的地表特征和任務(wù)對象等并不完全掌握，因此難以提前詳細規(guī)劃各項任務(wù)，這就要求人機需要現(xiàn)場進行動態(tài)分配任務(wù)。

圖1 空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)模式Eig.1 Human-robot collaboration mode in space

3 國內(nèi)外人機協(xié)同研究現(xiàn)狀

早期的人機協(xié)同就是人與計算機的協(xié)同，這也是人與機器人協(xié)同作業(yè)的基礎(chǔ)。20世紀80年代末，人工智能發(fā)展陷入低潮的時候，LENAT［4］提出一個預(yù)測：“‘系統(tǒng)'將使智能計算機和智能人之間形成一種合作關(guān)系，人和計算機各自完成自己最擅長的任務(wù)，系統(tǒng)的智能是這種合作的產(chǎn)物。”基于上述論斷，國外學者發(fā)表了一系列關(guān)于人機協(xié)同原則、框架和系統(tǒng)的理論研究成果。P.Millot等人［5］提出一種動態(tài)完成任務(wù)的人機協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計和評估方法，包括在人機任務(wù)分配和合作模式和評估準則。Pacaux-Lemoine M.-P.等人［6］指出人機協(xié)同需要解決兩個問題，即機器人如何完成任務(wù)和機器人與人之間如何進行配合。

1995年Jones等人［7］提出了人機系統(tǒng)研究的集成方法論，包括知識獲取、人的功能建模、人機交互環(huán)境、知識體系建模和智能輔助或合作系統(tǒng)5個部分，并實現(xiàn)了人機結(jié)合的衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)，使人機合作系統(tǒng)建模和結(jié)構(gòu)研究更加深入［8］。Pramila Rali等人［9］提出一種高敏感度的人機協(xié)同系統(tǒng)。機器人采用生物傳感器獲取人的狀態(tài)信息，并進行了試驗研究。Dennis Perzanowski等人［10］設(shè)計了基于多模態(tài)信息人機交互的人機合作系統(tǒng)，人機交互的手段包括語言、手勢等。Donald Sofge等人［11］采用設(shè)計了多種人機交互界面，建立機器人航天員認知模型，提出了類人機器人（Robonaut）與人在軌協(xié)同作業(yè)的設(shè)想。

NASA為重返月球和載人登陸火星，啟動了“人與機器人系統(tǒng)”（Human Robotic System，HRS）項目［12］，將機器人作為航天員的伙伴，研究了多種人機組成，共同開展月面作業(yè)（見圖2）。試驗表明人機共同開展月面作業(yè)確實減少了航天員的艙外活動時間和工作量。

圖2 NASA的人機作業(yè)任務(wù)模擬試驗Eig.2 NASA simulated experiment on human-robot collaboration

國內(nèi)目前還未見對人機協(xié)同作業(yè)的研究，僅是對人機交互技術(shù)進行了研究［13］。但國內(nèi)一些學者對人機一體化思想進行了有益的探索。1990年，錢學森等人［14］提出人機結(jié)合的概念。楊燦軍［15］等人對人機一體化智能系統(tǒng)理論及應(yīng)用進行了探索。之后滕弘飛等人［16］從工程應(yīng)用角度綜述若干關(guān)鍵支持技術(shù)，包括人機結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、代理（Agent）、計算智能、信息感知與融合和泛化的綜合集成等。

總的來說，國內(nèi)對人機協(xié)同的研究，仍以機器人為主，一些學者在人機交互傳感器、設(shè)備、技術(shù)等方面跟蹤國外相關(guān)技術(shù)開展了研究，但缺乏對人機關(guān)系頂層方面的研究。對人機任務(wù)分配的理論研究尚在起步階段。對于相對抽象的人機關(guān)系，也只從人與機器人的特征分析入手，定性層面提出了各自適合的工作類型，而針對空間任務(wù)人機協(xié)同的研究則更是鳳毛麟角。

4 空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)問題

從空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵可以看出，其主要就是涉及2個方面問題：一是機器人的能力，對于特定的環(huán)境和任務(wù)，機器人應(yīng)具備何種能力；二是人與機器人如何配合，空間任務(wù)中機器人適于承擔哪些任務(wù)，怎樣實現(xiàn)人機交互。對于機器人的能力，這是整個人機協(xié)同的核心，關(guān)系到人機協(xié)同的程度。機器人技術(shù)研究較多，本文不再詳細論述。第二個問題，可以進一步延伸為3個技術(shù)問題：人機任務(wù)分配、人機安全控制和人機信息交互。

4.1 人機任務(wù)分配

人機協(xié)同要求人和機器人既獨立又相互配合開展作業(yè)，因此人和機器人的分工十分重要。人機協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計的第一個問題就是明確人機各自的任務(wù)，包括：哪些任務(wù)需要人機協(xié)同開展，哪些任務(wù)應(yīng)當屬于人或機器人負責，現(xiàn)場臨時任務(wù)如何分配等一系列問題。尤其是對于地外天體表面人機協(xié)同作業(yè)，任務(wù)復(fù)雜，天地通信延時更嚴重，這一問題顯得更為突出。人機任務(wù)分配須考慮到系統(tǒng)論、運籌學和工效學等多方面因素，雖然有很多學者進行了研究，但只解決了某個領(lǐng)域中的部分問題［15］。目前還沒有一個系統(tǒng)的、可普遍采用的任務(wù)分配決策方法。根據(jù)國內(nèi)外的實際經(jīng)驗，一般需要根據(jù)航天員能力、機器人水平、支持費用等因素進行分配，而且與具體的任務(wù)相關(guān)。通常而言，在任務(wù)開展前將完成任務(wù)的分配，但是對于空間任務(wù)而言，雖然任務(wù)規(guī)劃時可進行大部分任務(wù)的分配，但仍需要作業(yè)現(xiàn)場根據(jù)既定原則進行決策。總的原則是：在人機任務(wù)分配時，要充分發(fā)揮航天員和機器操作的各自特長，避其所短，使得任務(wù)設(shè)計在整體上達到高效、安全、可靠而經(jīng)濟的目標。具體而言，在確保安全可靠的前提下，可以采用以下一種或幾種分配原則。

（1）匹配性分配原則：誰能完成任務(wù)的質(zhì)量和速度更快，就將任務(wù)分配給誰。

（2）機器人優(yōu)先原則：優(yōu)先將任務(wù)分配給機器人，剩下的分配給人。

（3）能動性分配原則：注重發(fā)揮人的主觀能動性，將體現(xiàn)個人價值和能力的任務(wù)分配給人。

（4）經(jīng)濟性分配原則：以任務(wù)成本為首要依據(jù)，任務(wù)的分配視經(jīng)濟與否而定。

4.2 人機安全控制

安全是機器人與人近距離開展工作的首要要求。人和機器人協(xié)同作業(yè)，除了滿足航天員獨立開展作業(yè)的各項安全要求外，還需要防止機器人對航天員的傷害。機器人對航天員的傷害主要在以下3種情況時產(chǎn)生：一是航天員進入機器人作業(yè)路徑內(nèi)，機器人可能對航天員產(chǎn)生碰撞等危險；二是操作人員可能會發(fā)送不正確或不合理的操作指令，導(dǎo)致空間服務(wù)機械臂等非正常的運動從而給航天員帶來威脅；三是機器人硬件或軟件發(fā)生故障進而失去控制。

對于第一種情況，通常在機器人作業(yè)時是劃定一個工作區(qū)域，禁止人員進入。但對于人機協(xié)同作業(yè)，這顯然是不合適的［17］，因為航天員與機器人位置關(guān)系，不能有固定約束。為解決這個問題，機器人可以采用多傳感器確定人與機器人之間的相對位置［18］。若判定機器人機械臂工作區(qū)域內(nèi)沒有航天員存在時，機械臂可以以最快的速度工作；若航天員在工作區(qū)域內(nèi)，但在一個安全距離，則以特定速度進行工作。一旦有人闖入機械臂運動路徑時，機械臂能馬上停止，或是通過改變運動路徑，規(guī)避航天員。對于誤操作，通常設(shè)定了機器人作業(yè)的原則，即機器人不能傷害人，或者說，不能因無所作為而使人受到傷害；機器人必須服從人給出的指令，除非它與第一條原則相違背。通過這兩項原則進行安全性設(shè)計，能確保機器人不對航天員進行直接的傷害。但是仍無法確保避免間接傷害。對于機器人故障，除了加強機器人魯棒性設(shè)計外，通常是建立應(yīng)急保護系統(tǒng)，可以由現(xiàn)場航天員進行控制，也可以是其它航天員（如艙內(nèi)或基地內(nèi)航天員或地面人員）控制，在發(fā)生突發(fā)情況時，能緊急暫停機器人工作。

以上所有的策略，均需要有足夠靈敏度的傳感器和運算速度足夠快的計算機。但是就目前的技術(shù)，尤其是在空間條件有限的情況下，運算速度難以保證。在航天員進行應(yīng)急避險或操作時，可能傷害已經(jīng)造成。

4.3 人機信息交互

通過人機交互能將航天員的意圖準確實時地傳遞給機器人，也能將機器人的狀態(tài)信息以及對現(xiàn)場的檢測信息準確、快速地反饋給航天員，以使人和機器人能夠高效自然地協(xié)同完成任務(wù)。目前機器人感知的主要形式有形式化計算機語言、自然語言理解與處理以及圖形圖像識別等。此外，研究比較多的基于多模態(tài)腦電波信號的腦機交互技術(shù)，也取得了豐碩成果，但到目前為止，仍然處于探索階段［19-20］。

形式化計算機語言是目前人與計算機通信的主流，由于輸入不方便難以在人與機器人協(xié)同作業(yè)中廣泛應(yīng)用。由于空間任務(wù)時人與機器人的距離可能在目視范圍內(nèi)，也可能是在遠距離作業(yè)，因此對自然語言交互的需求更為強烈。目前理解和處理自然語言有許多方法［21］，本質(zhì)是通過計算機做基于規(guī)則的匹配、推理或統(tǒng)計等工作。自然語言理解面臨如下難題：一是用詞無明顯的規(guī)律性；二是用詞不規(guī)范［22］；三是不同的語境漢語有多種理解?？偠灾?，自然語言遠未達到人機自然“對話”水平。圖形圖像人機交互主要是通過對人的肢體動作、表情等進行識別，進而準確判斷出人的意圖信息［23］。但是人的肢體動作形狀復(fù)雜而且多變，從二維圖像或視頻序列中準確識別，需要面臨很多困難。目前地面基于視覺的手勢識別系統(tǒng)也不成熟，存在識別率不穩(wěn)定，實時性較差等缺點［24］?？臻g任務(wù)圖形圖像交互還將面臨以下影響因素：肢體動作的形變、光照變化、膚色漂移、遮擋及硬件條件約束等。

5 我國空間任務(wù)人機協(xié)同發(fā)展建議

通過載人航天一期和二期工程，我國載人航天具備了航天員安全進入太空和返回地面能力，掌握了航天員出艙活動、交會對接等一系列關(guān)鍵技術(shù)。但是對人機協(xié)同作業(yè)所必須的航天員艙外作業(yè)技術(shù)、空間自由服務(wù)機器人技術(shù)，還有待通過空間站工程的研制進行突破。對于地外星體表面作業(yè)技術(shù)和地外天體表面智能機器人技術(shù)，由于尚未登陸任何地外天體，目前還處于理論研究階段。但是，由于人機協(xié)同的優(yōu)勢，必然是載人航天發(fā)展的一個重要方向，我國應(yīng)提前在相關(guān)領(lǐng)域開展技術(shù)研究，為未來月球基地人機協(xié)同作業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。該領(lǐng)域的研究和發(fā)展應(yīng)當注意以下幾個問題。

（1）提前開展人機協(xié)同關(guān)鍵問題研究。人機任務(wù)的設(shè)計與分配屬于多目標決策的范疇，與航天員安全、任務(wù)成功率、任務(wù)執(zhí)行效率、任務(wù)成本等密切相關(guān)；不同任務(wù)采用的人機協(xié)同模式也不同。航天員的安全在載人航天中永遠是首位，因此如何在保證安全性的前提下，通過功能分析和新技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)效費比最優(yōu)是其最大目標。未來可以借助于人工智能的發(fā)展，建立相應(yīng)的決策模型，為任務(wù)的分配和優(yōu)化提供參考。人機安全控制的重要手段除了制定有效安全策略和高效算法外，研制高靈敏度傳感器和高速率計算機是解決該問題的有效方法。人機信息交互的發(fā)展目前將呈現(xiàn)出多樣化的特點，語音和腦機交互是未來實用的自然交互技術(shù)，以認知科學為基礎(chǔ)的交互模型和設(shè)計方法，是當前人機信息交互設(shè)計的重要研究方向。

（2）與遙操作技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合。人機協(xié)同最大的制約之一在于機器人的智能化。在惡劣的空間環(huán)境中操作，對機器人的自主性要求更高。而目前我國空間機器人的研制水平與工程應(yīng)用還有較大差距。為了降低難度，在人機協(xié)同作業(yè)發(fā)展初期，機器人適宜采用遙操作控制，可以是地面遙操作也可以是在軌遙操作。

（3）充分注重在軌演示?？臻g環(huán)境與地面環(huán)境有較大差異，地面演示驗證也并不能完全模擬在軌情況，由此在軌演示驗證顯得尤為重要。目前我國正在開展載人航天三期工程空間站的研制。人機協(xié)同作業(yè)的發(fā)展，應(yīng)充分利用這個平臺，通過在軌演示驗證，掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

（4）先開展艙內(nèi)協(xié)同作業(yè)驗證，再進行艙外協(xié)同作業(yè)實施。艙外環(huán)境較復(fù)雜，航天員應(yīng)急救生也相對困難。而密封艙內(nèi)便于采取應(yīng)急措施，艙內(nèi)任務(wù)也可提前進行規(guī)劃。因此應(yīng)當提前謀劃在空間站密封艙內(nèi)開展人機協(xié)同作業(yè)驗證，掌握相關(guān)技術(shù)后，然后由航天員與艙外機械臂進行人機協(xié)同作業(yè)驗證，再次由航天員與在軌自由服務(wù)機器人進行艙外作業(yè)，為未來的地外天體表面人機協(xié)同作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

（5）應(yīng)當先采用人主機輔的模式。人機協(xié)同有多種模式，包括人主機輔、機主人輔、人機平等3種模式，可根據(jù)不同的任務(wù)特征進行選擇。在機器人和遙操作技術(shù)不夠完備的情況下，應(yīng)當優(yōu)先采用人主機輔的模式。因為人在感知、思維、執(zhí)行能力具有創(chuàng)造性和一致性，可根據(jù)現(xiàn)場情況預(yù)知可能的發(fā)展趨勢，能更有效地掌控現(xiàn)場狀況，作業(yè)安全性相對更高。

6 結(jié)束語

空間機器人是空間站后續(xù)發(fā)展的必然趨勢，未來機器人必將在空間作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。航天員與機器人協(xié)同開展作業(yè)任務(wù)，能有效發(fā)揮人機整體優(yōu)勢，取得更高的效益。但是目前空間機器人尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用，空間人機協(xié)同任務(wù)面臨諸多的困難，相關(guān)研究還處于探索階段。我國若盡早深入開展空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)研究，一方面可以占領(lǐng)空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)制高點，另一方面對我國深入開展空間科學研究、空間應(yīng)用和在軌服務(wù)的發(fā)展具有重要意義，為月球基地的人機協(xié)同作業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。當前我國應(yīng)加強開展空間任務(wù)人機協(xié)同作業(yè)前期研究工作，對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)，以盡早實現(xiàn)工程應(yīng)用。

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（編輯：李多）

Connotation and Key Technologies of Human-robot Collaboration in Space

ZHU Enyong WEI Chuanfeng LI Zhe
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Connotation of human-robot collaboration operation in space is put forward.Difference between human-robot collaboration and other human-robot system are analyzed，such as equality，independency and cooperation.Research on this field of all over the world is generalized，and a conclusion is get that research on human-robot collaboration is focused on human-robot interaction and top level study on human-robot collaboration is of shortage at present.Three key issues are pointed out，including assignment allocation between human and robot，human-robot interaction and human-robot safety.Some suggestions are advanced for our country's developing human-robot collaboration in space，for example，combining development with application of telerobot，paying attention to on-orbit testing and using“human protagonist robot costar”pattern at early stage and so on.

human-robot collaboration；space mission；connotation；key technologies

R857

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.015

2015-03-25；

2015-04-27

朱恩涌，男，博士，高級工程師，主要從事航天器在軌服務(wù)和總體設(shè)計工作。Email：zey4217@163.com。