郭祥艷，劉傳凱，王曉雪

（1. 北京航天飛行控制中心，北京 100094；2. 航天飛行動力學技術重點實驗室，北京 100094）

0 引 言

按照我國空間站工程總體規(guī)劃，將在2020年前后，建成和運營近地載人空間站[1]。在空間站最初建造及后期運行過程中，大多數(shù)艙外活動必須借助于機械臂，機械臂對于空間站在軌組裝、外部維修以及日常運行維護起著至關重要的作用。目前，國際空間站最具代表性的艙外機械臂系統(tǒng)是安裝在美國艙段上的加拿大移動服務系統(tǒng)（Mobile Satellite Services, MSS），該系統(tǒng)主要包含一個大型遙操作臂系統(tǒng)（SSRMS）和一個特殊用途靈巧操作臂（SPDM），此外，空間站上的大型艙外機器人系統(tǒng)還包括俄羅斯艙段上的歐洲臂（ERA）和日本實驗艙上的遠程機械臂系統(tǒng)（JEMRMS）[2-8]。針對空間站的搭建和維護任務，我國于2007年開始中國空間站遠程機械臂系統(tǒng)（CSSRMS）的研制[9]。CSSRMS由核心艙機械臂（CMM）和實驗艙機械臂組成（EMM），當前CMM可實現(xiàn)技術性能指標與國際空間站上機械臂對比情況如表1所示[10-13]。

由表1可知，CMM的各項技術指標均與當前國際空間站上機械臂水平相當，其中載荷能力、位姿精度和移動速度等關鍵指標和SSRMS比較接近。

基于當前正在開展的CSSRMS地面遙操作仿真驗證工作[14]，本文重點關注與我國空間站機械臂構型和技術指標接近的MSS系統(tǒng)，主要對MSS地面遙操作控制模式進行調(diào)研，分析MSS地面遙操作系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及采取的應對措施，概述MSS地面遙操作任務規(guī)劃、執(zhí)行和在軌調(diào)試過程，以期對未來我國空間站機械臂地面遙操作控制提供參考。

1 MSS系統(tǒng)構成及控制模式演變

MSS是由加拿大和美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合研制的艙外機械臂系統(tǒng)，其主要由5個子系統(tǒng)構成[15]：①機械臂工作站（RWS）；②空間站遙控機械臂系統(tǒng)SSRMS；③移動基座系統(tǒng)（MBS）；④移動運輸裝置（MT）；⑤SPDM，如圖1所示。其中，RWS是MSS唯一布置在艙內(nèi)的組件。RWS包括手動控制器、監(jiān)視器、控制面板（DCP）和筆記本電腦（PCS）（作為MSS在軌操作的接口）。除此之外，RWS也控制著MSS上的中央處理計算機單元（CEU），該單元是MSS和ISS上指令和控制計算機（C&C）之間的接口；SSRMS安裝于MBS上，MBS為SSRMS提供了4個電源數(shù)據(jù)抓桿固定器（PDGF），通過SSRMS上與之相連的鎖式末端效應器（LEE），PDGF不僅為SSRMS提供電能及數(shù)據(jù)與視頻信號，而且提供移行據(jù)點。SSRMS的任一端均可與PDGF相連，以類似尺蠖移行的方式，雙端交互地移動，到達ISS許多部位[16]。SSRMS與空間站通過MT連接，可以沿著位于空間站桁架外側的固定軌道滑動，大大擴展了機械臂的工作范圍。SPDM也叫Dextre[17]于2008年由“ 奮進號 ”（STS Endeavour OV–105）PDGF 航天飛機送至國際空間站，Dextre擁有兩個手臂，并具有工具抓手和手臂關節(jié)，用來執(zhí)行一些維修任務，這些任務以往通常需要航天員出艙活動才能完成，大大提升了機械臂承擔空間作業(yè)的操作精度和復雜性。

表1 CSSRMS與空間站上機械臂性能指標比較Table 1 Performance comparison of CSSRMS and other manipulators

圖1 加拿大MSS系統(tǒng)構成Fig. 1 The system configuration of Canadian MSS system

MSS最初設計時僅考慮航天員在軌操作模式，其構成中的SSRMS是基于航天飛機遙操作機械臂系統(tǒng)（SRMS）發(fā)展而來的，因此其控制方式主要依靠有人在內(nèi)的閉環(huán)操作模式，即由航天員在國際空間站內(nèi)使用手動控制器操縱機械臂，所有機械裝置的運動指令都是由航天員使用DCP上的手動控制器和物理轉(zhuǎn)換器發(fā)出，同時使用視頻監(jiān)視器監(jiān)視指令執(zhí)行過程。由于機械臂關節(jié)和鎖式末端效應器的運動指令只能通過DCP上的硬件開關發(fā)送，地面不能發(fā)送任何運動指令，但是地面能夠發(fā)送設備開關機、視頻系統(tǒng)配置等軟指令，這些軟指令通過ISS上指令和控制計算機發(fā)送給MSS的中央處理計算機。

隨著SSRMS操作經(jīng)驗的逐步豐富，航天員在艙內(nèi)控制機械臂的操作模式出現(xiàn)許多新的問題：一是隨著機械臂復雜程度的提高，在地面培訓航天員進行機械臂操作并維持其在軌時的正常操作水平所耗費的時間顯著增加；二是機械臂操作任務大都錯綜復雜，通常需占用航天員大量的時間，而國際空間站宇航員每天僅限6.5 h的工作時間無法完成復雜的Dextre維護操作；三是通過對Dextre維護操作分析發(fā)現(xiàn)，相對于實際更換失效組件而言，宇航員大量的時間都花費在空閑部件恢復和操作現(xiàn)場準備上。因此，2002年在加拿大空間局（Canadian Space Agency, CSA）和NASA聯(lián)合舉辦的技術交流大會上提出了發(fā)展地面遙操作模式的解決方案[15]，即對于部分常規(guī)例行檢測任務，通過地面遙操作的方式實現(xiàn)。2005年，CSA首次實現(xiàn)了SSRMS受限的地面遙操作，從實現(xiàn)了自由空間的小型機動，到逐漸發(fā)展為不限制運動規(guī)模的聯(lián)合關節(jié)運動[18]。

2 MSS地面遙操作模式及其約束條件

CSA實現(xiàn)MSS地面遙操作控制過程中主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：①從工程角度來說，地面遙操作面臨的最大挑戰(zhàn)是地面控制指令和遙測信號的時延，典型的觀測時延達到3～10 s，時延加大了操作者響應系統(tǒng)行為的時間，影響了遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②從操作角度來說，面臨的主要挑戰(zhàn)是ISS和地面控制站之間缺乏持續(xù)的通信流，在通信中斷或受限時段，地面操作者無法通過遙測和視覺信號監(jiān)視SSRMS運動過程及其與空間站本體之間的間隙，從而限定了地面控制人員可操作時間；③從設計角度來說，挑戰(zhàn)在于地面遙操作控制中心要盡可能使用目前發(fā)往ISS地面指令結構，不要有復雜的或不必要的硬件或軟件更改。為了解決上述問題，CSA通過地面遙操作模式的選擇和附加相應的約束條件來實現(xiàn)。

2.1 地面遙操作模式

地面遙操作模式的選擇與MSS在軌操作控制模式相關，在介紹地面遙操作模式之前，有必要首先對MSS在軌控制模式進行分析。

MSS在軌航天員通過手動和自主兩種模式來控制機械臂[19]。在手動模式下，MSS中央處理計算機將操作者手動輸入轉(zhuǎn)化為關節(jié)運動指令，其中手動控制器偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為關節(jié)速率指令。手動控制要求操作者是閉環(huán)控制回路的一部分，操作者可以通過遙測信息或RWS上的視頻顯示器來調(diào)整手動控制器輸入[20-21]。在自主模式下，操作者在計算機中輸入機械臂起始位置和目標位置等配置信息，由中央處理計算機設計機械臂的運動軌跡，具體可以通過兩種方式實現(xiàn)：一種是操作者指定機械臂末端或附加載荷6自由度的直角坐標，機械臂末端或載荷的速率指令由計算機產(chǎn)生，其僅需按照指令要求運動到指定的目的位置；另一種方式是由操作者指定機械臂目標關節(jié)角配置，之后由計算機控制機械臂所有關節(jié)同時到達最終構型。通常來說，手動控制方式經(jīng)常用于鄰近和接觸操作，自主模式主要用于長距離移動操作。

相對于在軌操作而言，地面遙操作控制方式也有手動和自主兩種。在手動模式下，機械臂和地面遙操作中心之間信號傳輸?shù)难訒r問題尤為突出。由于延時的存在，地面操作員的輸入是響應操作者觀察到的機械臂系統(tǒng)10 s之前的行為，與在軌操作相比，系統(tǒng)延時拉大了地面操作者10 s的反應時間，考慮機械臂此時的運動速度及空間站本體的間隙和操作類型等，5～10 s的延時可能會導致嚴重的后果。除此之外，地面手動控制機械臂需要操作者經(jīng)常性地輸入控制參數(shù)以控制機械臂末端或有效載荷的運動，因此在地面與空間站通信中斷期間，控制回路出現(xiàn)中斷，此時還需要調(diào)用應急處理機制來中斷機械臂關節(jié)運動。

相對而言，自主控制模式不要求地面和空間站之間頻繁的通信，同時不受系統(tǒng)延時的影響。操作者不是閉環(huán)控制回路的組成，因此不需要經(jīng)常性向機械臂控制系統(tǒng)輸入控制信息。因此，MSS地面遙操作應選用自主控制模式，所有由地面遙操作中心發(fā)起的機械臂運動將依靠預編程的自主控制模式實現(xiàn)[15]。在這種模式下，地面操作者通過人機交互接口對機械臂進行編程，編程的結果是一段連續(xù)的運動軌跡，并在地面仿真驗證中心進行驗證，只有經(jīng)過驗證的軌跡才能發(fā)送到空間機械臂在軌執(zhí)行?？臻g機械臂接收到來自地面的符號指令后，在與空間站環(huán)境的交互過程中形成遠端的閉合回路，將時延排除在地空控制回路之外，從而避免了地空大時延帶來的影響。

2.2 地面遙操作模式的約束條件

MSS地面遙操作單獨使用自主模式控制SSRMS的不足之處為：違背在軌操作實際，特別是在SSRMS鄰近和接觸負載過程中，操作者需要通過相機觀察SSRMS末端或者附加載荷的位置，并用手動控制器來糾正偏差，以此來控制SSRMS，但是對地面操作者來說，由于延時和通信弧段的限制，地面無法連續(xù)監(jiān)視SSRMS任務執(zhí)行過程。盡管在自主模式下不要求操作者經(jīng)常性的輸入，但是操作者仍需具備SSRMS任務執(zhí)行過程中的環(huán)境感知能力，以確保機械臂與空間站本體之間的間隙及匹配接口間的精度。

針對上述問題，MSS地面遙操作控制中心把任務執(zhí)行過程和間隙監(jiān)視及精度驗證隔離開來。這一功能主要是通過對地面遙操作施加了一系列操作約束來實現(xiàn)的，具體總結如下：

1）地面控制策略須經(jīng)模擬器驗證之后才能發(fā)送到MSS在軌執(zhí)行。

相對于手動控制而言，自主控制模式的優(yōu)越性在于它能生成唯一確定的軌跡，地面遙操作中心根據(jù)SSRMS起始和目的地的位置坐標，估算出一個精確的、可重復驗證的軌跡，在此過程中不需要操作者頻繁地修正輸入。SSRMS地面軌跡生成之后，將在封裝了各種飛行軟件和空間站環(huán)境模型的模擬器中驗證，只有經(jīng)過驗證的軌跡才可發(fā)送到空間站執(zhí)行。仿真驗證過程中若發(fā)現(xiàn)機械臂的運動出現(xiàn)偏差或有參數(shù)異常時，由數(shù)據(jù)處理與任務仿真平臺給出偏差修正量或者新的路徑規(guī)劃。

2）對機械臂操作空間的視覺測量優(yōu)先于控制策略的預先規(guī)劃。

MSS地面遙操作中心根據(jù)對空間站環(huán)境和機械臂的先驗知識在地面建立仿真模型，在具體任務實施過程中，首先使用視覺相機采集機械臂規(guī)劃路徑周圍的環(huán)境參數(shù)，之后將獲得的空間站當前狀態(tài)和參數(shù)融合到地面仿真系統(tǒng)中，使得空間站外部環(huán)境的變化能夠在用于軌跡規(guī)劃和驗證的圖形模型中及時反映出來。

3）機械臂抓取目標之前需要使用相機視覺圖像對兩者之間對準精度進行驗證。

機械臂在抓取目標之前，地面操作者需要利用末端執(zhí)行器和操作接口間的多相機視覺圖像對兩者的對準精度進行驗證，對準驗證過程中可以使用斷點中斷操作，在斷點處操作者可以使用相機圖像檢查對準并進行必要的修正操作。

4）地面遙操作執(zhí)行段限定為地空通信弧段內(nèi)。

CSA地面遙操作中心將地面遙操作限定在規(guī)劃的地空通信時間段內(nèi)執(zhí)行，期間機械臂在空間的各項參數(shù)通過遙測傳到地面后，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將其實時地傳遞給數(shù)據(jù)處理和任務仿真平臺，進行機械臂運動軌跡以及各項檢測參數(shù)的運算和仿真分析，與任務路徑規(guī)劃相對照，其結果和各種參數(shù)與圖像實時地顯示在地面監(jiān)視控制系統(tǒng)中。盡管地面遙操作設計模式不需要地空之間持續(xù)的通信流，但是這項特殊的約束不僅能為地面操作者提供監(jiān)視任務執(zhí)行的功能，也為地面遙操作提供了額外的安全保障。為進一步減小任務執(zhí)行過程中通信中斷的可能，地面遙操作SSRMS一次機動距離為5英尺①。

3 MSS地面遙操作過程分析

MSS地面遙操作控制過程包括任務規(guī)劃、任務執(zhí)行和在軌調(diào)試3個階段，具體如下：

3.1 任務規(guī)劃

任務規(guī)劃主要功能是分解空間遙操作任務，并生成相應的任務序列或空間站機械臂運動數(shù)據(jù)。MSS任務規(guī)劃可以概括為以下六大方面的工作[22]：①機械臂軌跡設計；②地面操作流程開發(fā)和驗證；③指令腳本的開發(fā)和確認；④特定任務軟件配置文件的生成；⑤動力學和熱平衡分析；⑥與國際空間站其他活動的融合。

MSS將要執(zhí)行的任務確定之后，地面首先使用機器人規(guī)劃系統(tǒng)（RPS）設計SSRMS和Dextre的運動軌跡。RPS是一個運動圖形模擬器（KPS），它能夠高精度地仿真空間站的外部環(huán)境和SSRMS及Dextre的任務執(zhí)行過程。任務設計者使用RPS將運動軌跡分解為一系列的自動序列，并驗證所產(chǎn)生的操作序列能達到預期目標，同時又避免了奇異點、自碰撞、關節(jié)限制和結構間隙等問題。然后任務設計者將所生成的自主序列和MSS指令用包含關鍵字的特定句法來表達，每一句代表一項特定的MSS功能或控制要求。自主流程生成工具根據(jù)這些定制的語言來生成要求的操作流程和指令腳本。地面操作流程是MS Word格式，它將作為地面控制團隊進行遙操作審查、批準和執(zhí)行的主要文檔。生成的指令腳本為文本文件，休斯頓任務控制中心（Motor Control Center, MCC）的指令應用程序使用該指令腳本完成操作流程中列出的各項操作。

操作流程生成后，多名飛控人員對該流程進行驗證，包括使用模擬器驗證和計算機復核。這個過程確保該操作流程滿足完整性約束、地面遙操作約束等條件，主要包括：前后流程的連續(xù)性；機械臂機動是否超出最大行程的限制；是否正確識別和保持與空間站本體之間的間隙；MSS是否會妨礙空間站外部系統(tǒng)或有效載荷的操作等。與此同時，飛控人員還將記錄任務機動過程持續(xù)的時間和所需的通信鏈路大小，執(zhí)行指令腳本的驗證，以確保腳本能準確地實現(xiàn)操作流程的要求。

特定任務軟件配置文件包含了定制的接口、任務約束條件等機械臂任務執(zhí)行過程中的各種優(yōu)化操作。除此之外，還需要建立轉(zhuǎn)移操作過程中的熱平衡分析，計算軌道更換單元在最低溫之前的運行時間等。

地面任務規(guī)劃必須在操作計劃開始之前一個星期制定并完成驗證，以便使其有足夠的時間和整個空間站計劃相融合。最后，地面飛控團隊還需開發(fā)應急程序，以便在ISS或者MSS出現(xiàn)異常時能使ISS返回安全構型，并恢復所有基本功能。

3.2 任務執(zhí)行

MSS地面遙操作團隊由3名飛行控制人員組成（簡稱為“ ROBO” 團隊），主飛控人員位于MCC-H的主飛控大廳，另外兩名輔崗人員可以在MCC-H或CSA。

地面控制人員首先需要激活MSS ，這個過程耗時90 min，緊接著是使用MSS和ISS視覺相機拍攝SSRMS和Dextre可能活動范圍內(nèi)的圖像并下傳到地面控制站，以驗證規(guī)劃路徑段的ISS配置和RPS模型是否匹配，之后再執(zhí)行具體的操作。

MSS地面控制方案是一個系統(tǒng)的、高度結構化的腳本指令序列，它要求2名飛行控制人員共同完成遙操作指令的執(zhí)行。在執(zhí)行過程中，飛控團隊所有成員均對操作流程進行跟蹤，以確保每一步的正確性。執(zhí)行每一步時，飛控團隊需要對執(zhí)行的流程步驟、ISS系統(tǒng)當前的狀態(tài)，以及命令執(zhí)行過程中的通信覆蓋條件進行驗證和確認。指令上行前，主飛控人員需要與另一名飛控人員達成指令上行的一致命令才能向上傳輸，同時對指令執(zhí)行情況進行監(jiān)視。啟動加拿大臂Ⅱ或Dextre的關節(jié)運動需上傳“ Ready-Arm-Fire” 3個連續(xù)的指令[15,22]：“ Ready” 指令對應加載所需的運動學配置、“ Arm” 指令確認期望構型，“ Fire” 指令才最終啟動機械臂。在“ Load” 指令之前，發(fā)指令者和確認人員都需對指令內(nèi)容和正在執(zhí)行的流程是否匹配進行檢查。任務開始之后，ROBO團隊使用下行視覺圖像、遙測顯示和遙測驅(qū)動RPS模型監(jiān)視機械臂軌跡和與周圍物體的距離。一旦觀察到意外，主飛控人員會立即發(fā)送一個“ Safing” 指令來中斷任務執(zhí)行。

3.3 MSS在軌調(diào)試

MSS地面遙操作在軌調(diào)試過程從易到難可分為兩個階段[18]：階段1包括簡單的單關節(jié)操作、自由空間的協(xié)同操作和沒有加載LEE的檢查操作；階段2包括SSRMS移動操作中多關節(jié)協(xié)同操作和接觸操作。

經(jīng)過ISS程序管理部門多次復核，第1階段的調(diào)試在2005年2月23日至25日期間進行。階段1的目標是操縱SSRMS從一個觀察俄羅斯艙段的位置移動到預抓捕MBS PDGF的位置。操作過程包括單一關節(jié)和多關節(jié)聯(lián)合段，初始操作是腕關節(jié)滾動操作，之后擴展到肘關節(jié)和肩關節(jié)。操作中SSRMS保持離空間站本體至少5英尺①英尺=0.3048 m。的距離。

第2階段的調(diào)試始于2005年6月3日，目標是實現(xiàn)基于地面指令控制的PDGF抓取和釋放操作。在階段2執(zhí)行過程中，SSRMS末端效應器和抓取裝置之間的對準精度驗證優(yōu)先于抓取操作，在精度驗證之前還需對返回于SSRMS的視覺信號的完備性和正確性進行檢查。階段2的成功表明ROBO飛行控制團隊能夠?qū)崿F(xiàn)地面遙操作任務規(guī)劃以及運動控制[23]。

4 對我國空間站機械臂遙操作啟示

地面控制人員通過遙操作平臺實現(xiàn)對MSS在軌任務的地面規(guī)劃、運動控制，以及常規(guī)維護、故障檢測和在軌診斷等功能。在其實現(xiàn)過程中，地空通信的大時延、有限通信帶寬、通信弧段受限等問題給遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性帶來了一系列影響，MSS地面遙操作控制中心采用預編程的自主控制模式和一系列操作上的約束條件來解決上述問題，成功實現(xiàn)了預定工程任務目標。本文在分析MSS地面遙操作的規(guī)劃和實現(xiàn)過程中，總結出以下幾點對我國未來空間站機械臂控制的啟示：

1）天地協(xié)同的控制模式?？臻g站建設過程中對大型載荷裝卸的需求較大，機械臂拖動大載荷移動過程速度較慢，通常需要占用航天員較長的時間，且空間站后期維護過程中常規(guī)例行檢查任務較多，單一采用航天員在軌控制模式導致其工作時間較長、精力消耗較大，因此在機械臂控制中加入地面遙操作控制模式，可以使地面飛行控制團隊執(zhí)行常規(guī)例行檢查任務及部分工程任務，使在軌宇航員執(zhí)行更高級別的科學研究實驗，以此來減輕宇航員的工作負擔。我國未來機械臂控制也應該考慮這種天地協(xié)同的控制模式。

2）地面遙操作平臺具有優(yōu)勢?？臻g站機械臂執(zhí)行復雜任務的能力受機械臂中央處理計算機處理能力的限制，在空間站運行周期內(nèi)中央計算機硬件部分不容易更新，相對而言地面遙操作平臺中的硬件和軟件更新比較容易，硬件更新能夠提高地面控制人員任務規(guī)劃和執(zhí)行的能力和速度，軟件更新能夠為地面操作者提供強大的仿真驗證工具，如虛擬相機、在線路徑規(guī)劃和異常情況驗證等。因此我國未來遙操作平臺建設過程中可以充分利用已有科技優(yōu)勢，提高地面處理的能力。

3）地面遙操作中心地位關鍵。地面遙操作中心承擔著空間站機械臂任務前的設計、規(guī)劃與驗證，任務中的監(jiān)控與執(zhí)行，以及任務后的分析與評價。地面遙操作中心人員設置、崗位設置、組織協(xié)同關系和功能模塊劃分等對未來機械臂遙操作控制起到至關重要的作用。

4）地面遙操作仿真模型重要。在地面任務規(guī)劃過程中，如何建立一種既能準確描述機械臂運行的空間環(huán)境，又能精確描述空間機器人與環(huán)境接觸的動力學特性，同時又易于地面過程參數(shù)在線辨識的模型至關重要，模型的準確性直接影響后繼軌跡驗證的正確性，因此仿真模型的建立是未來地面任務規(guī)劃系統(tǒng)的核心。

5）地面遙操作控制過程復雜?？臻g站機械臂控制復雜度高，地面遙操作控制對專業(yè)支持、天地協(xié)同提出了更高要求，天地大時延影響、有限的通信帶寬、通信覆蓋條件和地面控制人員臨場感不足等問題導致長時間復雜控制難度更大。MSS地面控制人員為解決時延問題采用監(jiān)督自主控制模式和MSS機械臂的智能程度相關，我國空間站機械臂是否能夠沿用這種模式還存在較大疑問，因此在探索的過程中既要借鑒國外機械臂控制已有研究和成功應用的經(jīng)驗，又要結合我國現(xiàn)有飛控模式的要求，進一步形成我國空間站機械臂遙操作的特點和優(yōu)勢。

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