机器人宇航员安全控制策略及变时延力反馈遥操作研究

Teleoperation of humanoid robonaut with dual arms and hands has important application prospect for space dexterous tasks, but the manipulation performance is seriously limited by the 5-7s varying communication time delay between space and ground and space safety operation. In order to overcome the kinematic difference between operator and robonaut, movement and sensation mapping between the head, dual arms, dual hands and waist of operator and the corresponding parts of robonaut is researched based on joint and Cartesian space mapping method, then the operator is able to control robonaut intuitively and accurately, which lays the foundation for force reflection teleoperation. The modified continuous collision detection method which considers the positon, velocity, acceleration and braking characteristics is researched to accomplish the predictive collision detection of robonaut itself and interaction with environment,and the layered safety control strategy is proposed to solve the space safety operation problem. The time domain passivity control method with energy observers and passivity controllers is proposed to monitor and control the energy of force reflection teleoperation with varying time delay, which explores the influence law of varying time delay on teleoperation performance. The ground experimental system of robonaut teleoperation is established to imitate the on-orbit maintenance of space station, and typical space teleoperation tasks such as orbit replacement unit are carried out to verify the proposed method. This research contains important scientific significance for revealing the safe and effective ground teleoperation of robonaut, and practical significance for meeting the application requirements for on-orbit maintenance of space station and spacecraft.

具有双臂双手的仿人机器人宇航员遥操作在空间灵巧作业领域具有重要应用前景，然而天地5-7秒变化通讯时延和空间作业安全严重制约了作业性能。本项目用关节与笛卡尔的运动和感知映射方法，研究操作者头部、双臂、双手和腰部与机器人宇航员相应部位的映射关系，克服运动学差异性，实现二者间直观准确地运动和感知映射，为时延力反馈遥操作奠定基础。提出综合考虑关节位置、速度、加速度和制动因素的改进连续体碰撞检测方法，研究机器人宇航员的自碰撞和它碰撞预测检测，实现空间作业的层次化安全控制。基于时域无源性方法，提出利用能量观测器和无源控制器分别监视和控制变时延力反馈遥操作系统能量，探索变时延对遥操作性能的影响规律。搭建模拟空间站在轨维护的地面遥操作实验系统，并通过在轨模块更换等实验进行验证。该项目研究对于揭示机器人宇航员安全有效的遥操作控制规律，满足我国空间站和航天器的在轨维护等应用需求，具有重要的科学和实际意义。

具有双臂双手的仿人机器人宇航员遥操作在空间灵巧作业领域具有重要应用前景，然而天地通信较大变化时延和空间作业安全严重制约了作业性能。.本项目研究内容包括：1）机器人宇航员遥操作的运动和感知映射方法研究；2）层次化遥操作安全控制策略研究；3）基于时域无源性的变时延力反馈遥操作控制研究；4）机器人宇航员遥操作地面实验验证研究。.本项目取得了以下研究成果：1）搭建了一套机器人宇航员的临场感遥操作系统。利用头盔、力反馈数据手套、运动跟踪器、Omega7力反馈手柄等设备，针对操作者与机器人宇航员的运动学差异，通过优化运动映射关系，实现了操作者对机器人宇航员的临场感遥操作控制。同时，实现了立体视觉和力觉的感知映射，操作者能够感知到机器人实际运动以及与环境的交互状态。2）实现了层次化遥操作安全控制策略。在遥操作主端，基于三维模型的碰撞检测实现了机器人无碰撞路径。其次，基于轨迹规划限制机器人最大速度、加速度以及加速度变化，降低潜在冲击力。在从机器人端，设计了基于碰撞危险度的碰撞监控模块，实时接收机器人关节位置和力矩信息，共同评估机器人当前运动的安全状态。其次，驱动策略层根据人机交互安全评价指标，对关节电机的最大输出力矩进行限制。最后，控制策略层采用位置控制实现自由空间的高精度定位，接触作业时利用基于关节力矩的笛卡尔阻抗控制实现柔顺操作。3）提出了主从端双无源观测器和双无源控制器的时域无源性控制方法。设计了无源观测器和无源控制器，实现了5s变时延下双边遥操作控制。在保证稳定性前提下，该方法对系统的能量消耗更少，操作性能较好。此外，该方法不需已知系统各环节的精确动力学模型，控制器结构简单，更易于实现。.本项目提出的主从机器人优化映射方法、变时延力反馈遥操作控制方法对于空间机器人的临场感遥操作具有重要意义，将在我国空间站和航天器的在轨维护等工程应用发挥重要作用。