“太棒了，終于穩(wěn)穩(wěn)地展開了?！痹谖⑿排笥讶吹街袊?guó)空間站問天實(shí)驗(yàn)艙展開柔性太陽電池翼的絕美瞬間，東南大學(xué)首席教授宋愛國(guó)滑屏的手指微微顫抖。他感慨道：“我們做了多年的研究，終于不負(fù)所托！”在距離地面約400公里的太空，到底需要用多大的力，才能恰好展開一塊相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)單打羽毛球場(chǎng)大小的太陽電池翼？宋愛國(guó)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人機(jī)交互力覺臨場(chǎng)感遙操作、航天員在軌操作力測(cè)量技術(shù)給出了精準(zhǔn)答案。

為太空遙操作探路

力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人是一種先進(jìn)的人機(jī)交互遙操作機(jī)器人。通俗地說，它通過各種傳感設(shè)備來捕捉人的動(dòng)作、力度，去控制遠(yuǎn)端機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，如同“千里手”。同時(shí)，機(jī)器人的視覺、力覺、觸覺等各種感覺也能反饋給人，使人“身臨其境”。

“這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)90年代初的中國(guó)，還是一片空白。”宋愛國(guó)說。1992年，他博士入學(xué)的半年前，中國(guó)載人航天工程剛剛啟動(dòng)?！耙桓F二白”地闖入嶄新的研究領(lǐng)域，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)擺在宋愛國(guó)面前：空地間的信號(hào)傳輸存在時(shí)延，這短暫的幾秒內(nèi)，如何感知遙操作機(jī)器人的力反饋，讓它不失控？

經(jīng)過數(shù)次演算后，宋愛國(guó)和團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在遙操作過程中時(shí)延的力反饋模式是一個(gè)多余能量輸出的過程。他們?cè)O(shè)想：“如果將多余的能量耗散掉，是不是就可以讓機(jī)器人在時(shí)延階段，漸漸穩(wěn)定下來？”

歷經(jīng)多年，數(shù)不清畫了多少圖紙、熬了多少夜，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一套控制算法，根據(jù)機(jī)器人的接觸力大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速、加速度，分別判斷機(jī)器人輸出的能量大小和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，由電機(jī)自動(dòng)生成阻力。如果時(shí)延產(chǎn)生的能量大，電機(jī)的阻力就大;如果能量小，阻力就小。

正要驗(yàn)證這套理論模型的精準(zhǔn)度時(shí)，團(tuán)隊(duì)卻遭遇“蒼白”的現(xiàn)實(shí)：當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)室沒有工業(yè)機(jī)器人，國(guó)內(nèi)能生產(chǎn)空間機(jī)器人特種電機(jī)的工廠也鳳毛麟角。

為嫦娥三號(hào)研制地面模擬實(shí)驗(yàn)月球車

工欲善其事必先利其器，沒有條件，就創(chuàng)造條件。宋愛國(guó)和同事們自己設(shè)計(jì)電機(jī)指標(biāo)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，并將圖紙和指標(biāo)送到北京一家電機(jī)廠定制。兩三個(gè)月后拿到的成品，還是不行，又送到南京一家電機(jī)廠改裝。第一臺(tái)電機(jī)，團(tuán)隊(duì)就改裝了五六個(gè)月。有了電機(jī)，機(jī)器人便有了靈魂。10年間，團(tuán)隊(duì)相繼研發(fā)了力覺傳感器、力反饋器件和力控制器等器件，建立了力覺臨場(chǎng)感機(jī)器人控制系統(tǒng)，就多維力測(cè)量不準(zhǔn)確、時(shí)延帶來的機(jī)器人力反饋遙操作不穩(wěn)定等問題提出系列解決方案。

2008年底，宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)開始為嫦娥三號(hào)研制地面模擬實(shí)驗(yàn)月面巡視機(jī)器人，主要研究月球車的遙操作控制算法和識(shí)別環(huán)境的感知系統(tǒng)。

2014年1月14日21時(shí)45分，在北京航天飛行控制中心精確控制下，“玉兔號(hào)”月球車展開機(jī)械臂，對(duì)月壤成功實(shí)施首次月面科學(xué)探測(cè)。這次探測(cè)任務(wù)的成功，標(biāo)志著我國(guó)掌握了月面高精度機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了38萬公里外機(jī)械臂毫米級(jí)精確控制。宋愛國(guó)團(tuán)隊(duì)此前的地面模擬實(shí)驗(yàn)提供了重要支撐。

幫航天員“量力而行”

如果說掌握了人機(jī)交互的“力”，可以通過“千里手”隔空作業(yè)，那么，了解太空中航天員施力的變化，將為航天員的在軌工作提供依據(jù)。

“航天員的操作力涉及指捏力、手握力、推拉力、雙手插拔力、手部多維力和足部多維力等十幾種力，這要求力測(cè)量設(shè)備要對(duì)應(yīng)各種施力方式精確測(cè)量?！彼螑蹏?guó)說。

創(chuàng)新無止境。2017年起，團(tuán)隊(duì)又開始研制面向空間站的小型化長(zhǎng)壽命高精度多維力傳感器以及航天員在軌生物力學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)。2021年4月29日，該綜合測(cè)試系統(tǒng)隨中國(guó)空間站天和核心艙成功發(fā)射升空，并將長(zhǎng)期在軌運(yùn)行。

現(xiàn)在，宋愛國(guó)時(shí)常會(huì)遙望夜空，尋找中國(guó)空間站這顆“夜空中最亮的星”。

（摘自《科技日?qǐng)?bào)》8.23金鳳/文）