机器人宇航员空间站仿人作业理论与方法

Robot astronauts assist or replace astronauts to maintain and operate the space station is Europe and the United States and Russia and other major powers of space development direction, but also an important strategy for the development of our country. Due to the complicated environment such as spatial microgravity, the humanoid operation of robot astronauts are different from the ground, which poses new challenges to the existing robot theory and method. Based on the human smart operation mechanism, we can create a humanoid action knowledge base which can describe the internal links of the robot astronauts’ operation instruction, visual perception and motion control system, and study the humanoid fuzzy operation planning strategy which adapts to the complicated environment. A real - time dynamic model of robot astronauts is established, and a force - compliant control model based on forgetting factor function is proposed to study the control of robot astronauts. This paper presents an image processing algorithm for complex environment such as complex space, which can realize the robust recognition and precise positioning of the target by filtering the complex nonlinear noise in the image, and provide the basis for the robot astronauts. This paper proposes a three-dimensional microgravity verification system with hardware in the ring, which validates of the research content to break the humanoid operation theory and method in the complex environment of the robot in space station to promote the development and application of the robot technology in the space exploration, and China's strategic position is of great significance.

机器人宇航员辅助或代替航天员进行空间站维护与作业是欧美俄等航天大国重点发展方向，也是我国发展的重要战略。由于空间站微重力等环境，导致机器人宇航员仿人作业与地面截然不同，对现有机器人理论与方法提出了新挑战。借鉴人类灵巧作业机制，创建能够描述机器人宇航员作业指令、视觉感知及运动控制等系统内在联系的仿人作业动作知识库，研究其适应复杂环境的仿人模糊作业规划策略。建立机器人宇航员实时动力学模型，提出一种基于遗忘因子函数的力柔顺控制模型，研究机器人宇航员仿人安全作业控制。提出一种面向空间复杂光照等环境的图像处理算法，通过滤除图像中的复杂非线性噪声，实现作业目标的鲁棒识别和精确定位，为机器人宇航员仿人作业提供依据。提出采用一种硬件在环的三维微重力验证系统，对研究内容有效性进行验证，以突破机器人空间站复杂环境下的仿人作业理论和方法，促进机器人技术在空间探测中的发展与应用，对提升我国空间战略地位有重要意义。

机器人宇航员辅助或代替航天员进行空间站维护与作业是欧美俄等航天大国重点发展方向，也是我国发展的重要战略。面向机器人宇航员空间站维护作业需求，本项目凝练微重力下机器人宇航员仿人作业的核心理论和方法，重点研究和突破复杂空间环境下目标鲁棒识别与精确定位、机器人宇航员仿人灵巧作业动作知识库、仿人灵巧作业规划机制、仿人柔顺安全灵巧作业控制等核心理论与方法，为空间站环境下机器人自主作业奠定坚实的理论基础和提供有效途径。具体研究内容包括：.复杂空间环境下作业目标的鲁棒识别与精准定位：针对非结构化空间环境中特殊光照导致的目标本质特征信息难以辨别，和物体间堆叠造成的目标位姿估计不准等难题，借鉴人类视觉处理过程，提出一种复杂空间环境下作业目标图像增强与6D位姿估计方法，实现复杂环境下基于单目RGB图像的高精度位姿预测。仿人灵巧作业动作知识库构建及抓取策略生成：高自由度和复杂物理接触等因素给五指灵巧手的抓取带来巨大挑战，本项目系统研究了五指灵巧手自主抓取过程的动作分类与表示方法，提出基于概率密度重采样的仿人五指抓取动作生成方法，和基于神经网络与避碰优化的抓取策略优化方法。机器人宇航员仿人安全灵巧作业规划：针对机器人在复杂未知环境下避碰控制实时性差和狭小空间内的最优任务轨迹规划等关键问题，构建机械臂模型预测避碰策略模型，实现复杂约束下动态最优避碰策略的实时高效获取。提出基于大脑皮层最优反馈控制的机器人仿人作业规划方法，实现狭小约束空间内机器人宇航员灵巧安全修补作业规划。机器人宇航员仿人柔顺安全作业控制：针对空间站作业必需的驻停、加减速等运动模态，研究人体运动的力学特性并提出采用力匹配与位姿补偿的机器人宇航员与宇航员动力学映射方法，实现机器人宇航员舱内加减速运动的高效规划和稳定控制。针对复杂直接接触导致的装配振动问题，提出一种基于人体手臂可变阻尼机制的仿人柔顺变参数导纳控制方法，实现机器人宇航员仿人柔顺变参数导纳装配。