譚啟蒙，陳 磊，周永輝，孫沂昆，王耀兵，高 升

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京100094；2.戰(zhàn)略支援部隊航天工程研究院 十六室，北京100028）

1 引言

近年來，伴隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，空間服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)逐步發(fā)展成一種輔助或代替航天員開展多種復(fù)雜空間作業(yè)的重要手段，尤其是對空間站在軌服務(wù)、深空探測等領(lǐng)域有重要意義［1］。艙內(nèi)方面，機(jī)器人需要輔助航天員完成諸如日常艙內(nèi)清潔、工具校準(zhǔn)、庫存盤點、設(shè)備擺放、食物準(zhǔn)備、艙內(nèi)生存環(huán)境（含空氣、水等）質(zhì)量測試等常規(guī)任務(wù)；艙外方面，機(jī)器人應(yīng)具備輔助或代替航天員完成艙外檢測、維修、安裝，艙外狀態(tài)檢查以及星球表面探測等空間任務(wù)的能力。在軌人機(jī)交互（On?orbit Human Robot Interaction，OHRI）包括航天員與機(jī)器人之間的信息互通、物理空間中的行為互動以及兩種交互的集成［2］，是空間服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)之一。根據(jù)交互過程中二者之間的時空對應(yīng)關(guān)系，OHRI主要分為遠(yuǎn)程交互和近程交互兩類［3?5］：前者基于時空分離狀態(tài)，明確航天員與機(jī)器人之間的主從關(guān)系，航天員根根據(jù)機(jī)器人實時采集的操作對象或周圍環(huán)境特征的多模態(tài)信息，主動向機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動控制命令，機(jī)器人接收用戶指令并完成指定操作任務(wù)；后者則凸顯航天員與機(jī)器人之間的平等合作關(guān)系，機(jī)器人能夠自主感知并接收航天員的輸入，其自身的控制系統(tǒng)通過對采集獲得的多模態(tài)傳感信息進(jìn)行分析、理解和決策，驅(qū)動末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定操作或定向移動，同時做出能夠被航天員所覺察的恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)或反饋。

截至目前，我國對于人機(jī)交互技術(shù)的研究還處于起步階段，尚無人機(jī)交互在軌應(yīng)用的型號任務(wù)。國際空間站在軌人機(jī)交互應(yīng)用的成功案例主要有Robonaut 2（簡稱R2）和Kiribo：R2作為世界上首個艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人，先后完成了諸如與航天員在太空中首次握手、人機(jī)交互式協(xié)同操作旋鈕、面板、閥門等多次在軌人機(jī)交互測試任務(wù)［6?7］；Kiribo則完成了在軌與現(xiàn)役日本航天員之間的自然對話與聊天等交互式測試［8］。盡管如此，上述人機(jī)交互系統(tǒng)只能完成少數(shù)、固定應(yīng)用場景下的簡單交互，并未涉及多源、復(fù)雜信息融合，具有較大的局限性。因此，如何設(shè)計一種自然友好、高效便捷的人機(jī)交互系統(tǒng)并提供視、聽、力、位等多模態(tài)交互手段，實現(xiàn)航天員與機(jī)器人之間的自然交流、二者默契合作完成空間任務(wù)，一直是空間服務(wù)機(jī)器人在軌應(yīng)用亟待解決的技術(shù)瓶頸之一。

針對上述問題，本文提出一種基于多模態(tài)信息融合的OHRI設(shè)計方案，以不同任務(wù)類型、環(huán)境條件的應(yīng)用需求為基礎(chǔ)，構(gòu)建OHRI整體架構(gòu)及多模態(tài)信息傳輸機(jī)制，設(shè)計出航天員與機(jī)器人近程、遠(yuǎn)程交互方案的硬件配置及信息交互流程，然后從中梳理對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)途徑，并經(jīng)由地面試驗驗證這些技術(shù)。

2 需求分析

隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來復(fù)雜環(huán)境空間作業(yè)任務(wù)將普遍面臨耗時長、難度大、風(fēng)險高、環(huán)境惡劣等問題，需要在軌人機(jī)交互系統(tǒng)（OHRI）可以使航天員與機(jī)器人進(jìn)行自然、高效、頻繁、多維度地交互，形成一套及時溝通與協(xié)調(diào)、相互幫助與支持、彼此監(jiān)督與操控的高效運(yùn)行管理機(jī)制，達(dá)到人類高智能與機(jī)器高性能的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)二者協(xié)同完成任務(wù)以提高任務(wù)完成的效率并降低風(fēng)險。鑒于上述應(yīng)用需求，OHRI應(yīng)具備以下特點：

1）人機(jī)交互體系框架可實現(xiàn)多模態(tài)信息融合，能兼顧遠(yuǎn)程交互和近程交互等不同的交互模式；

2）多源信息交互機(jī)制應(yīng)為沉浸式，可以使航天員根據(jù)空間操作任務(wù)的應(yīng)用情景及難易程度合理選擇與機(jī)器人的交互方式，并對應(yīng)明確的從屬關(guān)系與職責(zé)范疇；

3）在軌遠(yuǎn)程交互方式強(qiáng)調(diào)航天員與機(jī)器人之間的主從關(guān)系，要求人機(jī)交互系統(tǒng)具備功能如下：

（1）利用機(jī)器人身上配置的多源傳感器實時采集表征操作對象或周圍環(huán)境特征的多模態(tài)信息進(jìn)行三維建模，為航天員提供一種基于混合現(xiàn)實的沉浸式虛擬操控環(huán)境，顯著消除航天員與機(jī)器人之間的時空差異問題；

（2）利用多源傳感器準(zhǔn)確建立機(jī)器人各功能部件與人體各關(guān)鍵部位之間的物理映射，使航天員能夠根據(jù)主觀意愿自主操控機(jī)器人，并確保二者行為的一致性；

4）在軌近程交互方式建立在同一時空環(huán)境基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)二者之間的平等合作關(guān)系，要求人機(jī)交互系統(tǒng)具備功能如下：

（1）使機(jī)器人能夠?qū)教靻T在任意時刻發(fā)出的指令（例如：聲音、手勢、動作等）及時做出恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)或反饋，以滿足時效性要求；

（2）使機(jī)器人可以智能識別參與交互航天員的相關(guān)信息，自主接收、理解航天員的主觀意圖后，輔助或代替航天員獨立完成某項工作或工作的某一部分項目，滿足協(xié)作性要求，極大地提高人機(jī)協(xié)同工作的效率、可靠性和安全性。

3 在軌人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計

目前，面向空間服務(wù)領(lǐng)域的OHRI任務(wù)分配原則是［9］：航天員主要完成機(jī)器人難以勝任的隨機(jī)性強(qiáng)、復(fù)雜程度高、缺乏客觀判據(jù)而只能依賴于主觀經(jīng)驗評判的突發(fā)任務(wù)，機(jī)器人則執(zhí)行程序性強(qiáng)、成本高、風(fēng)險大的固有任務(wù)。

3.1 體系架構(gòu)

本文將OHRI體系架構(gòu)主要歸納為三部分，由底層到高層依次分為傳感層、感知層和行為層。傳感層的主要職能是：完成外界環(huán)境信息的實時采集與無損傳輸；感知層的主要職能是：完成對傳感層信息的實時處理與深度解析；行為層則主要負(fù)責(zé)將感知層的解析結(jié)果直接轉(zhuǎn)換為指令或參數(shù)，驅(qū)動機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成指定操作或定向移動。

結(jié)合圖1，以視覺、聽覺為典型示例，在軌人機(jī)交互體系架構(gòu)中的多模態(tài)信息流的傳輸機(jī)制可闡述如下：主要利用傳感層中的多源傳感器為機(jī)器人實時獲取有效的視覺、聽覺等多模態(tài)信息，傳輸至感知層，開展諸如特征分類、挖掘、處理、學(xué)習(xí)、融合等一系列的復(fù)雜運(yùn)算，進(jìn)而提煉出表征航天員的真實意圖和空間環(huán)境的逼真再現(xiàn)的深度模型，以同時滿足遠(yuǎn)程和近程兩種交互方案設(shè)計目標(biāo)，為機(jī)器人控制系統(tǒng)提供有效、完整的指令輸入，直接驅(qū)動機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行各項空間任務(wù)，此時，再次利用多源傳感器跟蹤采集實際的操作結(jié)果，實時反饋給航天員用于評判成功與否，最終構(gòu)建一套完整的航天員與機(jī)器人之間穩(wěn)固的雙向交互機(jī)制。

3.2 遠(yuǎn)程交互設(shè)計

在軌遠(yuǎn)程交互的硬件設(shè)計如圖2。航天員配備頭盔式顯示器、立體聲耳機(jī)、降噪麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)手套及其他體感設(shè)備等便攜裝置，構(gòu)建航天員與機(jī)器人之間的信息交互通道，其內(nèi)部信息流遠(yuǎn)程交互機(jī)制如圖3所示。

遠(yuǎn)程交互方案所涉及的多源傳感器、交互設(shè)備及其具體功能如下：

1）頭盔式顯示器內(nèi)置左、右兩個微顯示屏，主要功能包括：

（1）同步顯示機(jī)器人頭部左、右目相機(jī)采集的在軌空間環(huán)境的圖像視頻信息，為構(gòu)建航天員的沉浸式虛擬操控環(huán)境提供三維立體視覺反饋信息；

圖2 在軌遠(yuǎn)程交互方案設(shè)計原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of remote interaction de?sign

圖3 信息流遠(yuǎn)程交互原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of remote interaction for information flow

（2）完成航天員雙眼（球）定位，進(jìn)行人眼視線跟蹤，確保機(jī)器人頭部左、右目相機(jī)的朝向始終與人眼視線方向保持一致，實現(xiàn)根據(jù)航天員主觀意愿對感興趣區(qū)域進(jìn)行觀測。

2）立體聲耳機(jī)主要用于同步播放通過機(jī)器人頭部聽覺傳感器實時獲取的空間環(huán)境音頻信息，為航天員提供空間環(huán)境的聽覺反饋，顯著增強(qiáng)航天員的臨場感。

3）降噪麥克風(fēng)的功能是：對航天員發(fā)出的語音信息進(jìn)行接收、處理、識別及自然語義注釋，實現(xiàn)對航天員主觀意圖的準(zhǔn)確理解，處理結(jié)果將直接映射為機(jī)器人控制系統(tǒng)的輸入指令，驅(qū)動機(jī)器人遵照上述指令完成指定操作。

4）數(shù)據(jù)手套通過集成力反饋裝置，精確捕捉航天員手臂或手指的微小動作，進(jìn)一步換算為機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動角（速）度、扭轉(zhuǎn)力矩等動態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)，作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的輸入，驅(qū)動機(jī)器人靈巧手與人手保持同步運(yùn)動；同時，數(shù)據(jù)手套還能夠重建機(jī)器人靈巧手的交互作用力并反饋至操控者，使其真實體驗機(jī)器人靈巧手抓取過程中的交互作用力情況。

5）體感設(shè)備主要采用可見光、激光、紅外等光學(xué)測量原理，實時、連續(xù)、精確估計表征人體姿態(tài)特征的關(guān)鍵部位的三維空間位置信息，完成對航天員動作和行為的識別，檢測數(shù)據(jù)將映射為機(jī)器人控制器系統(tǒng)的輸入指令，進(jìn)而驅(qū)動機(jī)器人頭、頸、軀干、臂、手等功能部件與人體各關(guān)鍵部位的運(yùn)動態(tài)勢嚴(yán)格保持一致。

3.3 近程交互設(shè)計

圖4 在軌近程交互方案示意圖Fig.4 Schematic diagram of close?range interaction

圖5 信息流在軌近程交互原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of close?range interaction for information flow

在軌近程交互系統(tǒng)分別為機(jī)器人配置視覺傳感器和聽覺傳感器，為航天員配備降噪麥克風(fēng)以及立體聲耳機(jī)，以方便航天員與機(jī)器人開展面對面交互。具體如下：

1）視覺傳感器：實時采集機(jī)器人工作環(huán)境的圖像信息，基于深度學(xué)習(xí)模型［9］，將可見光、激光、紅外等多源信息進(jìn)行深度融合，實現(xiàn)工作環(huán)境場景的感知與三維建模［10］，并依次完成參與交互航天員（合作伙伴）的人臉檢測與識別、視線跟蹤［11］、人體姿態(tài)計算、手勢以及動作識別，最終的計算結(jié)果將直接轉(zhuǎn)換為機(jī)器人控制系統(tǒng)的輸入，驅(qū)動機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)操作。

2）聽覺傳感器：實時采集工作環(huán)境的背景音頻信息以及航天員自身發(fā)出的語音指令，為航天員攜帶的立體聲耳機(jī)提供有效輸入。

3）降噪麥克風(fēng)與立體聲耳機(jī)組合體：不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程交互設(shè)計中的單方面、被動接受航天員指令的反饋，更多的需要實現(xiàn)機(jī)器人與航天員之間的無障礙、自然語音雙向交互［12］，既能確保航天員的語音指令準(zhǔn)確無誤地發(fā)送至機(jī)器人，又能將體現(xiàn)機(jī)器人工作進(jìn)展程度的語音信息同步反饋至航天員，確保二者協(xié)同工作的一致性。

3.4 技術(shù)途徑

上述OHRI架構(gòu)具體節(jié)點，除去成熟的技術(shù)和貨架產(chǎn)品，其余待研究內(nèi)容可歸納為以下三項關(guān)鍵技術(shù)途徑：

1）復(fù)雜場景三維重建技術(shù)

在未知、復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)空間環(huán)境中，機(jī)器人必須具備自主環(huán)境感知與三維建模功能。首先，利用張正友提出的二維平面標(biāo)定方法［13］，準(zhǔn)確獲取視覺傳感器內(nèi)外參數(shù)信息，完成立體視覺校正；其次，提出一種基于光流法的特征檢測算法，能夠準(zhǔn)確提取未知、復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)、弱紋理等環(huán)境特征信息［14］；再次，采用多尺度、多源信息融合的混合匹配策略［15］，建立視覺傳感器在不同時間、空間采集的圖像幀之間、圖像幀與當(dāng)前環(huán)境特征之間、環(huán)境特征之間的物理映射與對應(yīng)匹配關(guān)系；最后，準(zhǔn)確計算出復(fù)雜場景的三維點云數(shù)據(jù)，依次完成點云配準(zhǔn)、融合、稠密化及紋理化等處理，真實重建三維場景信息。

明清時期，數(shù)量激增的女性詩人群體在傳統(tǒng)道德規(guī)訓(xùn)之下用“去女性化”的策略努力爭取文壇的合理地位，并成為十分突出的現(xiàn)象?！叭ヅ曰爆F(xiàn)象及女性的詩文創(chuàng)作引起了士人階層的廣泛爭議，而這種爭議將女性創(chuàng)作置于主流文壇的討論之中，在一定程度上也促進(jìn)了女性詩人向文壇中心的靠攏。面對士人的爭議，女性詩人群體自身矛盾的態(tài)度也表明了明清時期女詩人用“去女性化”的方式在傳統(tǒng)道統(tǒng)與文統(tǒng)壓迫下而爭取自由創(chuàng)作空間的努力是一種探索性的策略。

2）三維人體姿態(tài)估計技術(shù)

利用可見光、激光、紅外等多源視覺傳感器［16］相結(jié)合的方式，融合深度信息和顏色信息并結(jié)合人體各重要部位模型，快速檢測、識別出傳感器視場范圍內(nèi)航天員的人體骨骼輪廓，在此基礎(chǔ)上，將三維測量數(shù)據(jù)與人體骨骼模型予以數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即可精確計算出表征航天員的頭、臂、手、腿、腳等重要部位的三維空間位置姿態(tài)。

3）手勢動作識別技術(shù)

機(jī)器人成功識別、定位航天員骨骼輪廓并檢測出人體瞬時姿態(tài)后，局部放大航天員各重要部位（例如：手、腳）的細(xì)節(jié)動作信息，并通過與預(yù)先設(shè)定的多樣化模式數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行配準(zhǔn)計算，準(zhǔn)確識別出航天員某一手勢、動作的深層意圖，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器人控制命令引導(dǎo)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的運(yùn)動或操作。

現(xiàn)以手勢識別為例予以說明：在場景三維數(shù)據(jù)中，首先利用深度聚類方法將前景與背景分離，獲得手勢三維數(shù)據(jù)，并提取三維角點、曲面曲率等三維特征；然后將這些特征作為序貫貝葉斯模型的觀測，采用隱馬爾科夫模型、條件隨機(jī)場模型等構(gòu)建手勢狀態(tài)的時變模型，通過貝葉斯信任傳播方式完成手勢類別的推理［17?18］。

4）語音命令識別技術(shù)

語音命令同樣也是航天員與機(jī)器人交互的一種重要手段，然而機(jī)器人無法準(zhǔn)確接收、理解復(fù)雜、冗長的語音指令，這就需要機(jī)器人在接收語音指令的同時，深入分析航天員說話時的動態(tài)姿態(tài)變化，并將其作為聲音特征的輔助手段，可顯著提高語音命令識別的準(zhǔn)確度和魯棒性。盡管如此，但對于復(fù)雜的工作流程，單純依賴語音命令，航天員必須時刻關(guān)注機(jī)器人的操作進(jìn)度，并頻繁地發(fā)送語音指令引導(dǎo)機(jī)器人接續(xù)工作，上述情況，反而增加了航天員的負(fù)擔(dān)，確實難以適應(yīng)復(fù)雜多變的空間環(huán)境和繁瑣的作業(yè)流程。

4 試驗驗證

結(jié)合上述方案設(shè)計，實驗室環(huán)境搭建一套在軌人機(jī)交互地面驗證系統(tǒng)，硬件配置規(guī)格參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)詳見表1～表5。

表1 頭盔式顯示器規(guī)格參數(shù)Table 1 Specification of head mounted display

表2 數(shù)據(jù)手套規(guī)格參數(shù)Table 2 Specification of data glove

表3 體感設(shè)備規(guī)格參數(shù)Table 3 Specification of motion sensor

表4 可見光傳感器規(guī)格參數(shù)Table 4 Specification of visible light sensor

表5 工控機(jī)規(guī)格參數(shù)Table 5 Specification of IPC

針對3.4節(jié)提煉的關(guān)鍵技術(shù)途徑，在軌人機(jī)交互地面驗證系統(tǒng)依次開展了諸如模擬空間復(fù)雜場景三維重建、人體三維姿態(tài)估計、手勢識別、語音命令識別等驗證性試驗，具體結(jié)果介紹如下。

1）模擬空間復(fù)雜場景三維重建測試

利用機(jī)器人自身攜帶的雙目立體視覺相機(jī)與紅外結(jié)構(gòu)光相機(jī)分別采集空間復(fù)雜場景圖像信息，經(jīng)視覺傳感器內(nèi)外參標(biāo)定與立體視覺校正、特征點檢測與匹配、點云配準(zhǔn)與紋理映射等操作，利用OpenGL真實再現(xiàn)模擬空間復(fù)雜場景的三維點云（圖 6）。

圖6 復(fù)雜場景三維重建結(jié)果Fig.6 Result of 3D reconstruction for complex scene

2）三維人體姿態(tài)估計測試

在三維人體姿態(tài)估計測試中，主要利用Ki?nect2.0體感相機(jī)實時采集人體動作姿態(tài)的深度數(shù)據(jù)，如圖7所示，正確識別人體骨骼模型并建立其與人體各關(guān)鍵部位之間的三維映射關(guān)系，精確恢復(fù)出包含人體姿態(tài)特征的三維點云圖（圖8），完成三維測量數(shù)據(jù)與人體骨骼模型之間的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即可估計三維人體位置姿態(tài)信息。

3）手勢識別測試

手勢識別測試中，首先，構(gòu)建手勢圖像識別數(shù)據(jù)庫，規(guī)定手勢類型包括：握拳、五指伸直并攏、剪刀手、OK手型等，上述每種類型手勢所需左手、右手圖像各10張；其次，使用上述手勢訓(xùn)練機(jī)器人完成深度聚類和手勢推理；最終，測試現(xiàn)場分別對上述每類手勢隨機(jī)進(jìn)行100次測試，統(tǒng)計機(jī)器人正確識別率，具體如表6所示。

圖7 Kinect 2.0采集的人體姿態(tài)深度圖Fig.7 Depth map of human pose captured by Kinect 2.0

圖8 人體姿態(tài)三維測量點云數(shù)據(jù)Fig.8 3D measurement point cloud of human pose

表6 手勢識別測試結(jié)果Table 6 Test results of gesture recognition

試驗結(jié)果表明，經(jīng)過訓(xùn)練后的機(jī)器人能夠正確識別4種手勢指令，且同時支持左、右手，上述規(guī)定手勢的平均正確識別率可達(dá)74%。

4）語音命令識別測試

與手勢識別相類似，語音命令識別測試同樣包括訓(xùn)練和識別兩個階段。前者需要采集、存儲至少3個測試者在不同時刻發(fā)出諸如打開、放回、剪刀、螺絲刀、鉗子、啟動、停止等單一詞匯的語音命令構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，用于訓(xùn)練機(jī)器人完成語音信號模型構(gòu)建、特征檢測、模型訓(xùn)練與配準(zhǔn)等處理；后者則要求測試者現(xiàn)場隨機(jī)對機(jī)器人發(fā)出上述規(guī)定詞匯的語音命令累計100次測試，最終統(tǒng)計機(jī)器人正確識別率，具體如表7所示。

表7 語音指令識別測試結(jié)果Table 7 Test results of voice command

試驗結(jié)果表明，經(jīng)過訓(xùn)練后的機(jī)器人能夠正確識別至少3個測試者發(fā)出的規(guī)定語音命令，平均正確識別率可達(dá)86.1%。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于多模態(tài)信息融合的在軌人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計，兼顧航天員與機(jī)器人之間的近／遠(yuǎn)程交互模式，適應(yīng)不同的任務(wù)需求和空間環(huán)境。試驗結(jié)果表明，OHRI涉及的復(fù)雜場景三維重建、人體姿態(tài)估計結(jié)果顯著改善了時延大、臨場感差等缺陷；經(jīng)訓(xùn)練后的機(jī)器人對規(guī)定手勢、語音指令的平均識別正確率分別可達(dá)74%和86.1%。上述在軌交互系統(tǒng)在我國載人航天工程、月球及深空探測工程的近期及中遠(yuǎn)期發(fā)展階段中都有很廣闊的應(yīng)用前景。

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