空间遥操作机器人的临场感性能评价与实验

To effectively evaluate the operational performance of human-machine interface in teleoperation system, and then to optimize the design of the system according to task requirements to reach the best operational performance, is of highly theoretical value and practical significance. This project aims to present a reasonable and quantitative evaluation for operational performance of teleoperation robots in space. The evaluation includes combinations of control performance evaluations and ergonomics performance evaluations. Firstly, besides the traditional transparency evaluation based on impedance transfer, the human-machine interaction performance will be considered. A impedance network includes task-operator-master hand and virtual environment Zv-slave hand and real environment Zs will be constructed. A transparency of Zv-Zs distance evaluation will be analysed. Secondly, taken both the subjective qualitative assessment based on statistical analysis of the questionnaires and objective quantitative assessment based on physiological information detection into consideration, this project will evaluate performance of teleoperation system from the point of human perception. Based on evaluation of control performance and human perception realistic, a comprehensive evaluation method for teleoperation system is proposed. The proposed evaluation method will provide a basic reference for optimization of human-machine interface in teleoperation system and engineering application. The proposed evaluation method will promote teleoperation technology development in China, and meet the urgent need in space exploration and other high technology fields.

如何有效地评价空间机器人人机交互遥操作系统的临场感性能，最终根据任务要求优化和改善系统设计，使其达到最优工作性能，是一个极具理论价值与现实意义的课题。本课题以实现空间机器人遥操作系统临场感性能的合理、定量评价为目标，在传统基于阻抗传递的透明性评价基础上，充分考虑和重视临场感人机交互的作用和影响，构建任务—操作者—主手和虚拟环境Zv—从手和真实环境Zs 的级联阻抗网络，利用Zv与Zs的距离评价临场感性能；其次，将基于问卷统计分析的主观、定性评价与基于脑电、肌电等生理信息检测的客观、定量评价相结合，从人的感知角度对临场感性能进行分析评价；在此基础上，综合考虑以系统控制性能为核心的评价与以人为核心的性能评价，提出一种遥操作系统临场感性能的综合评价方法和定量评价指标体系，为遥操作人机交互临场感的理论研究和工程应用提供依据，促进我国遥操作临场感技术的发展，满足空间探测等高技术领域发展的急需。

在传统基于阻抗传递的透明性评价基础上，综合考虑临场感人机交互遥操作系统中操作者以及力反馈装置的性能与作用，提出了一种基于虚拟阻抗等效的临场感遥操作机器人系统性能定量评价方法；其次，针对基于虚拟环境的大时延空间遥操作机器人系统，将临场感虚拟环境作为预测模块，分析和评价系统的稳定性。此外，分别对遥操作系统中的操作者、力反馈手柄和虚拟环境进行建模，基于阻抗再现的形式对系统总体建模，利用赫尔维兹代数判据给出系统稳定性条件，讨论了虚拟环境参数、零阶保持器、操作者阻抗对系统稳定性的影响。实验研究方面，基于研制的力反馈手柄等多种人机交互接口装置，构建了具有力觉和视觉交互的遥操作机器人实验系统，对不同时延条件下的位置跟踪、力觉反馈与交互、视/力觉辅助临场感遥操作以及力触觉交互对系统的影响等进行了系统性能实验研究。此外，基于手部力反馈系统完成人机工程学实验，研究了引导力对操作效率的影响，复位力、虚拟物体运动速度、臂长对操作范围的影响，并对人体操作手柄的范围、速度、轨迹、手柄头舒适度等内容进行详细的分析和论证，从操作者角度对交互式遥操作机器人系统进行性能评价和工效学评估。本项目的研究成果初步应用于中国航天员科研训练中心、航天5院等科研院所，构建了航天员工效学研究实验系统和空间站遥操作地面验证系统，为面向空间作业的遥操作机器人临场感提供了理论依据和技术支撑。