空间科学实验机器人辅助遥操作系统

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2003年12月　

　　　　　中国空间科学技术　　　　第6期　CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY　　　　　　7

空间科学实验机器人辅助遥操作系统

　　(北京航空航天大学机器人研究所,北京100083)(北京控制工程研究所,北京100080)丑武胜　孟　陈建新　李晟

摘要　建立了一个面向空间舱内晶体生长科学实验的地面模拟机器人遥操作系统。该

系统通过基于虚拟现实的预测仿真来克服通讯时延的影响,并通过仿真图形和实际视频图像的叠加来对虚似仿真环境进行校准,以提高预测仿真的保真性。操作员利用空间鼠标等人机交互工具实时控制仿真机器人系统的运动,,并借助全局和局部视觉信息,。

主题词　机器人　遥控操作器　空间科学1　引言

[1]。空间机器人的应用领域之一,完成科学实验操作任务。

,给空间机器人的稳定性遥操作控制带来了很大的困难。地面操作者在控制空间机器人时一般采用“运动2等待”的方式来保证操作的可靠性和安全性,这就造成系统整体效率的降低[2]。许多学者从不同的角度出发,针对如何克服时延影响提出了许多方法,这些方法大体上可以分为三类:双边控制[3]、预测显示/控制[4]和遥编程[5]。双边控制主要是针对主从遥操作系统中的力反馈控制问题提出的[6],只适合于小时延的场合;而对于空间或水下环境这些大时延的场合,双边控制方法的应用就受到很大的限制。遥编程是监控控制的一种表现方式,在操作端和远端之间传递的不是关节空间或操作空间的伺服控制指令,而是具有一定抽象程度的符号命令程序段,但是它要求远端机器人具有较高的局部自主能力,该方法存在控制不灵活,难以适应复杂多变的环境,在遇到差错、意外情况时,很难依靠自身进行误差恢复等缺点。预测显示/控制采用虚拟现实技术,在计算机屏幕上生成与远端机器人相同的虚拟机器人及工作环境的3维虚拟场景,操作者根据现场的情况和操作任务要求,通过人机交互设备发送出控制指令,用这些指令操纵虚拟机器人,再将虚拟机器人的操作信息发送给远端机器人,由远端机器人实现这些操作。预测显示/控制应用最为广泛,如德国的ROTEX

空间机器人实验系统[7]、美国NASA的舱内机器人系统[8]以及日本的工程实验卫星ETS2Ⅶ上的机器人系统[9]等。

预测显示方法由于要对远端环境进行虚拟三维建模,这就要求环境是已知的,或至少是部分已知的,因此它仅适用于结构化或半结构化的环境,不能很好地处理未建模环境的动态变化。有些学者试图利用视觉或触觉信息对环境进行在线重建,但目前方法还很不成熟。本文在建立面向空间舱内晶体生长科学实验的地面模拟机器人遥操作系统的基础上,不仅在OpenGL环境下设计并实现了一个虚拟预测仿真环境,而且同时将实际视频图像引入虚拟仿真环境,通过虚拟仿真图形和实际视频图像的叠加来消除地面仿真模型和空间模型的不匹配,提高仿真的保真性;在机器人接近操作对

收稿日期:2003204210。收修改稿日期:2003206220