朱 超，孔 旭，曾 磊，胡成威，王友漁，張文明

（空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

0 引言

航天員艙外活動中，航天員-機(jī)械臂協(xié)同操作是載人航天工程在軌維護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)。美國、加拿大、俄羅斯等國都相繼實(shí)現(xiàn)了空間機(jī)械臂在軌運(yùn)行［1］，航天員還多次利用出艙活動組裝維修空間站和維護(hù)空間望遠(yuǎn)鏡等維護(hù)維修任務(wù)［2］。伴隨著我國空間站的全面建成，未來空間操作任務(wù)的復(fù)雜性、精確性和不確定性，其在軌裝配維護(hù)離不開航天員-機(jī)械臂協(xié)同操作技術(shù)。

目前，空間維護(hù)操作的技術(shù)手段大致可以分為4 類：航天員單獨(dú)操作、單/多機(jī)械臂操作、空間機(jī)器人與航天員-機(jī)械臂協(xié)同操作。1984 年美國航天飛機(jī)搭載的連桿空間機(jī)械臂完成了衛(wèi)星在軌釋放任務(wù)。1993-2009 年間美國航天員對哈勃（Hubble）空間望遠(yuǎn)鏡前后進(jìn)行5 五次艙外維修［4］。1997 年日本Engineering Test Satellite-VII 機(jī)械臂在軌成功抓捕目標(biāo)衛(wèi)星。國際空間站遙控操作系統(tǒng)（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）多次完成了在軌維護(hù)等任務(wù)［5］。2007 年美國空間機(jī)器人Orbital Express 完成了多次對目標(biāo)衛(wèi)星的在軌捕獲等任務(wù)［6］。

由于艙外作業(yè)屬于高成本、高風(fēng)險且極端復(fù)雜的工作，在實(shí)施前無法通過地面試驗(yàn)精確驗(yàn)證，本文主要通過使用建模仿真與地面試驗(yàn)，研究航天員艙外作業(yè)解決艙外維護(hù)中任務(wù)分配和運(yùn)動規(guī)劃等問題。主要涉及航天員在軌維護(hù)空間機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃與驗(yàn)證，基于JACK 軟件建立維護(hù)任務(wù)的規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證航天員可達(dá)性及維修過程可操作性分析；評估航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂設(shè)計任務(wù)的安全性與維修效率；實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式交互能力；最后再通過地面試驗(yàn)驗(yàn)證維修任務(wù)。研究結(jié)果將為空間站航天員在軌維修機(jī)械臂任務(wù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持

1 國際空間站機(jī)械臂調(diào)研

在國際空間站（International Space Station，ISS）的建造和全面運(yùn)營階段，航天員與空間機(jī)械臂獨(dú)立或協(xié)作完成了多種在軌服務(wù)任務(wù)。從1998 年12 月-2023 年9 月，航天員與機(jī)械臂協(xié)同完成了259 次ISS 組裝和維護(hù)活動［2］，其中艙外活動時間累積1 310.85 h，平均每次時長約6.25 h。每次艙外都由2 名航天員配合進(jìn)行，2007 年艙外活動頻次最高，達(dá)到23 次，詳細(xì)地統(tǒng)計結(jié)果如圖1 所示。

圖1 國際空間站航天員艙外活動統(tǒng)計Fig.1 Extravehicular activity statistics of ISS missions

在所有艙外活動中，針對在軌維護(hù)機(jī)械臂的任務(wù)，航天員共進(jìn)行出艙活動9 次（圖1 紅色三角形標(biāo)記所示），其中包括4 次更換機(jī)械臂末端和末端相機(jī)，3 次潤滑末端和關(guān)節(jié)，1 次更換末端回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1 次出艙完成機(jī)械臂Canadarm2 安裝并操作試驗(yàn)。其中最近1 次任務(wù)是2018 年1 月23 日航天員在軌更換機(jī)械臂末端，遠(yuǎn)征54 任務(wù)中由2 名宇航員艙外歷時7.4 h，更換了機(jī)械臂Canadarm2 的一個性能退化的末端適應(yīng)器［7］，如圖2 所示。

圖2 航天員在軌維修ISS 機(jī)械臂2 的末端適應(yīng)器Fig.2 Picture for astronauts in the on-orbit mission of maintaining the ISS canadarm2

2002 年6 月13 日進(jìn)行的STS-111 任務(wù)第3 次艙外活動是最復(fù)雜的航天員在軌維修機(jī)械臂操作，歷時7.28 h 更換了機(jī)械臂Canadarm2 上的腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。在任務(wù)過程中，2 名航天員協(xié)同操作，其中1 名航天員輔助，另1 名航天員站在航天飛機(jī)機(jī)械臂末端的腳限位器工作。

綜上所述，借鑒國際空間站的經(jīng)驗(yàn)，我國有必要在機(jī)械臂研制階段，開展航天員在軌維修機(jī)械臂任務(wù)的研究。

2 在軌維護(hù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

2.1 在軌維護(hù)需求分析

空間機(jī)械臂技術(shù)也是我國載人航天工程的重大關(guān)鍵技術(shù)之一。我國空間站是一個由天和、問天和巡天等多艙段組合的飛行器。空間站機(jī)械臂用于保障空間站在軌壽命期間內(nèi)安全可靠運(yùn)營，用于完成空間站組裝建造、運(yùn)營管理、維護(hù)維修、輔助航天員活動和支持其他的空間應(yīng)用等任務(wù)，是保障我國空間站運(yùn)行必不可少的工具之一，也是空間站建設(shè)和維護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備［4］。

空間機(jī)械臂的主要部件包括關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、肘部相機(jī)組件、腕部相機(jī)組件、中央控制器和目標(biāo)適配器等。為了保障機(jī)械臂的在軌壽命，上述部件在設(shè)計時，必須考慮方便在軌維修。目前，針對機(jī)械臂的維修主要是通過在軌監(jiān)控預(yù)測各部件工作情況，采用預(yù)防性維修策略，必要情況下由2 名航天員出艙對其進(jìn)行維護(hù)維修。

多任務(wù)規(guī)劃、苛刻的航天員艙外活動指標(biāo)給航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂任務(wù)設(shè)計帶來巨大的挑戰(zhàn)。為確保航天員艙外活動指標(biāo)滿足要求，需要綜合考慮工作環(huán)境的復(fù)雜多變性、航天員活動能力約束性、機(jī)械臂維護(hù)工裝，以及手持工具的局限性等要素。因此，建立航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂任務(wù)流程規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)具有重要意義，可為后續(xù)艙外工作提供指導(dǎo)。

2.2 在軌維護(hù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計

航天員在軌維護(hù)空間機(jī)械臂任務(wù)，主要涉及航天員維護(hù)流程設(shè)計、備件轉(zhuǎn)移、航天員艙外搬運(yùn)、航天員操作空間分析、航天員操作能力分析、維護(hù)裝置設(shè)計等方面，將航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂流程、維護(hù)裝置操作過程進(jìn)行仿真分析，使維護(hù)流程設(shè)計更加科學(xué)合理，為航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂任務(wù)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)保證。

航天員在軌維修空間機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃和驗(yàn)證系統(tǒng)總體設(shè)計如圖3 所示。1）維修任務(wù)規(guī)劃包括任務(wù)場景建模和任務(wù)設(shè)計；2）維修任務(wù)仿真包括數(shù)據(jù)采集，場景實(shí)時更新以及虛擬裝配；3）維修任務(wù)評估包括可達(dá)性分析，時效性分析，人機(jī)工效分析；4）在軌維修任務(wù)支持模塊包括航天器軌道和動力學(xué)仿真，在軌環(huán)境力學(xué)仿真；5）維修任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫包括維修規(guī)劃與任務(wù)評估信息管理，維修過程仿真數(shù)據(jù)管理；6）仿真在線數(shù)據(jù)模塊包括虛擬現(xiàn)實(shí)場景實(shí)時顯示，航天器位姿數(shù)據(jù)監(jiān)視，仿真數(shù)據(jù)監(jiān)視，人體工效數(shù)據(jù)監(jiān)視；7）模型庫包括航天員人服系統(tǒng)模型，機(jī)械臂模型，航天器模型和工具模型［8］。

圖3 航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂任務(wù)驗(yàn)證系統(tǒng)功能Fig.3 Functions of the verification system for the on-orbit manipulator maintenance missions of astronauts

2.3 在軌維護(hù)任務(wù)評估研究

由于航天員在軌維修空間機(jī)械臂任務(wù)規(guī)劃和驗(yàn)證系統(tǒng)非常復(fù)雜，本文主要開展在軌維護(hù)任務(wù)的評估研究，包括可達(dá)性及可操作性研究、任務(wù)安全性和效率研究、虛擬現(xiàn)實(shí)交互研究。

2.3.1 可達(dá)性及可操作性研究

主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于JACK 平臺的機(jī)械臂故障部件的航天員可達(dá)性及維護(hù)過程可操作性分析。JACK 平臺負(fù)責(zé)導(dǎo)入模型、建立場景、制定及維護(hù)仿真的運(yùn)行，基于運(yùn)動學(xué)實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的可達(dá)性和可操作性分析［9］。模型導(dǎo)入包括了空間站核心艙初樣三維模型、航天員人服分析模型、機(jī)械臂構(gòu)型等。內(nèi)容包括JACK 基礎(chǔ)模塊，該模塊按流程可分為仿真準(zhǔn)備、仿真運(yùn)行、仿真結(jié)果分析3 個子模塊。仿真準(zhǔn)備模塊包括場景建立、模型導(dǎo)入、模型間約束建立、維護(hù)操作流程設(shè)計等功能，所有功能均基于JACK 軟件進(jìn)行二次開發(fā)。其中，模型導(dǎo)入功能中導(dǎo)入模型包括航天員人體模型、機(jī)械臂故障構(gòu)型和維護(hù)工具模型。仿真運(yùn)行模塊主要實(shí)現(xiàn)航天員對機(jī)械臂故障維護(hù)仿真，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動的3D 顯示功能。仿真結(jié)果分析模塊主要實(shí)現(xiàn)故障位置可達(dá)性分析和維護(hù)操作可達(dá)性分析功能，并提供分析結(jié)果輸出功能。

2.3.2 任務(wù)安全性和效率研究

基于已有的位置可達(dá)性及維護(hù)過程可操作性分析基礎(chǔ)上，在JACK 基礎(chǔ)功能上開發(fā)任務(wù)分析模塊，實(shí)現(xiàn)對航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂任務(wù)設(shè)計的安全性評估和維護(hù)效率評估，開展時效性評估、強(qiáng)度預(yù)計、人體扭曲度分析、腰背脊柱受力分析［10-11］。在確保維護(hù)過程可達(dá)性與可操作性滿足指標(biāo)的前提下拓展延伸，充分考慮人工操作約束分析、人體代謝能量消耗計算、維護(hù)預(yù)估時間分析、扭曲度分析、力量預(yù)測、腰脊受力分析、疲勞恢復(fù)時間分析和工作姿態(tài)分析。

2.3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)交互研究

增加運(yùn)動捕獲模塊，并引入了數(shù)據(jù)手套、位姿傳感器等數(shù)據(jù)輸入設(shè)備和VR 顯示器等輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了在系統(tǒng)運(yùn)行過程中的維護(hù)任務(wù)流程控制和交互。同時，VR 顯示器的引入也實(shí)現(xiàn)了用戶的沉浸式顯示體驗(yàn)，更加真實(shí)地模擬了現(xiàn)場維護(hù)環(huán)境。最終實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式交互能力，建設(shè)具備人體位姿捕捉及上肢力反饋能力的機(jī)械臂虛擬維護(hù)實(shí)驗(yàn)室。仿真場景中考慮光照、航天器本體及活動部件動力學(xué)、在軌環(huán)境力學(xué)等因素，進(jìn)一步提升虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)程度［12-13］。

實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式交互能力，建設(shè)具備人體位姿捕捉及上肢力反饋能力的機(jī)械臂虛擬維護(hù)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)內(nèi)容包括VR 硬件設(shè)備建設(shè)、仿真數(shù)據(jù)庫的建立以及仿真監(jiān)視軟件的建設(shè)。仿真數(shù)據(jù)庫主要包括模型庫和仿真數(shù)據(jù)庫兩部分，模型庫主要存儲機(jī)械臂故障構(gòu)型、工具模型、航天員人體模型、航天器模型。仿真數(shù)據(jù)庫主要存儲維護(hù)工況信息和維護(hù)過程仿真數(shù)據(jù)。

3 在軌維護(hù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

本文以夢天艙機(jī)械臂目標(biāo)適配器為例開展在軌維護(hù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。

3.1 在軌維修性設(shè)計

夢天艙機(jī)械臂目標(biāo)適配器共有2 個，配合機(jī)械臂末端執(zhí)行器使用，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對目標(biāo)適配器的低沖擊、大容差、高剛度捕獲。其構(gòu)型如圖4 所示，主要組成有：定位模塊、適配器快速連接機(jī)構(gòu)、捕獲桿折疊機(jī)構(gòu)、矩形自控電連接器模塊、電連接器密封蓋、穿艙電纜電連接器模塊、殼體結(jié)構(gòu)等。

圖4 空間機(jī)械臂目標(biāo)適配器三維模型Fig.4 Three-dimensional model of the space manipulator target adapter

空間機(jī)械臂目標(biāo)適配器故障時，先暫停機(jī)械臂作業(yè)，通過目標(biāo)適配器上的遙測信號、目標(biāo)適配器視覺標(biāo)記有無標(biāo)記點(diǎn)損傷或缺失、末端執(zhí)行器捕獲該目標(biāo)適配器等手段開展故障目標(biāo)適配器的故障定位［14-18］。若無法正常工作，按照維修更換策略，開展部件更換作業(yè)，空間機(jī)械臂配合航天員開展出艙維修工作，如圖5 所示。

圖5 目標(biāo)適配器維修出艙任務(wù)規(guī)劃Fig.5 Planning of extravehicular maintenance missions for the target adapter

3.2 仿真結(jié)果

依據(jù)空間機(jī)械臂目標(biāo)適配器出艙任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的流程設(shè)計，對每步操作進(jìn)行維修性指標(biāo)的分配，比如可達(dá)性、操作力、操作空間等指標(biāo)。利用空間機(jī)械臂在軌維護(hù)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)建立空間站、空間機(jī)械臂、航天員、維修工具等相關(guān)模型，構(gòu)建完整的目標(biāo)適配器維修虛擬場景，針對目標(biāo)適配器維修中的典型操作（電連接器插拔、膨脹螺栓拆卸與安裝等）進(jìn)行詳細(xì)的仿真分析［19-22］。如圖6 所示。

圖6 航天員維修目標(biāo)適配器動作仿真圖Fig.6 Simulation for the maintenance motion of the target adapter

通過多輪仿真迭代優(yōu)化，目標(biāo)適配器維修中的電連接器插拔、膨脹螺栓拆卸與安裝等操作滿足航天員的可視性、可達(dá)性、可操作性、安全性等指標(biāo)要求，同時確定目標(biāo)適配器維修構(gòu)型，形成完整的維修操作流程，最終驗(yàn)證整個維修任務(wù)的合理性。

4 結(jié)束語

本文以航天員艙外維護(hù)空間機(jī)械臂為背景，建立空間站運(yùn)營中航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂的任務(wù)規(guī)劃與驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證了航天員可達(dá)性及維修過程可操作性，并通過該系統(tǒng)評估航天員在軌維護(hù)機(jī)械臂目標(biāo)適配器維修設(shè)計的合理性，為后續(xù)開展航天員艙外活動訓(xùn)練與實(shí)施提供理論依據(jù)。