航天员虚拟作业训练机器人及协同控制技术研究

In order to solve the problem of Virtual Training of Astronauts on the Ground, the main objective of this project is to study on a robot which is driven by parallel flexible cables, to simulate the movements of objects (equipments) in different mass and shape and haptic force between objects and astronauts in the space environment, to achieve the virtual training of astronauts in microgravity environment and telepresence. The key technology problems, motion model of objects in microgravity environment, virtual force model, object contact and collision model, virtual training control strategy are addressed through the theoretical analysis and robot prototype experimental research, to lay the foundation for the research of virtual operation training robot. In order to realize the virtual cooperative operation training for two astronauts, the two separate robots collaborative interaction control strategy to simulate the movements of a virtual object will be investigated, so the space cooperative operation ability of astronauts will be improved..The application of this project can not only enhance the astronauts' space operation ability, but also improve the ability of trainers to work together in some unknown environment. And it will also improve and develop the level of the robot in virtual operation training and telepresence. The research work of this project has an important social significance, a scientific value and a bright market prospect for promoting the progress of the telepresence and the development of space science and technology in our country.

本项目针对如何解决在地面实现航天员虚拟作业训练问题开展研究工作，主要目标是通过研究一套柔索并联驱动机器人模拟不同质量、形状物体（设备）在太空环境中的运动状态及与航天员之间的作用力，实现模拟微重力环境的航天员虚拟作业训练和临场感体验。通过理论分析和机器人样机实验研究，突破微重力环境物体运动模型、虚拟作用力模型、物体接触及碰撞模型、虚拟作业控制策略等关键技术难题，为虚拟作业训练机器人的研究奠定基础。为实现两人协同作业虚拟训练，将针对两个独立机器人实现对同一虚拟物体运动模拟的协同交互控制方法进行探讨，从而提升航天员空间协同作业能力和水平。.本项目的成果得以应用不仅可以提升航天员的空间作业能力，提高训练者在某些未知环境中的协同操作能力，也将发展机器人在虚拟作业训练、临场感方面的技术水平。本项目的研究工作对于推动临场感技术的进步，促进我国航天科技发展有重要的科学价值、社会意义和市场前景。

近年来，随着空间站及深空探测技术的发展，航天员需要在太空中完成更加复杂、更加繁重的空间作业任务，而太空微重力环境与人类已经适应了的地面环境有着极大的区别。航天员在太空中操作与搬运物体的感受与在地面上有很大不同，因为在太空中，航天员虽然感受不到物体的重力，但是受轨道力学影响物体的惯性力依然存在。为此航天员需要在地面模拟的微重力环境中接受各种任务的操作训练，目前国内外有多种虚拟微重力环境训练的方法，比如抛物飞行法、落塔法、中性水池法和磁悬浮法等，这些方法普遍存在成本高、单次训练时间短或模拟精度低等问题。. 为了综合现有微重力环境训练设备的优点并弥补其不足，提出了2种航天员虚拟微重力训练系统，一种是基于柔索并联驱动的航天员虚拟微重力训练系统，使用力螺旋法分析并优化了该系统的工作空间，并使工作空间增加了35%；使用改进的柔索力分配算法优化了柔索张力，使各柔索张力的变化更加平滑，提高了系统控制精度和稳定性；该系统部分柔索中引入耦合弹簧，解决了多个柔索驱动机构同步运动误差带来的“竞争”而引起的内耗增大和稳定性降低问题，避免了传统力伺服控制中多余力难以消除的问题，并基于多目标优化算法确定了耦合弹簧的参数，提出了一种力位耦合控制策略，使控制误差缩小为原来的13%；对微重力环境下的物体碰撞进行了研究分析。另一种是基于串联刚性机器人的微重力平衡训练系统，该系统使用电流伺服控制来平衡物体重力，使用干扰观测器和“龙伯格”观测器对控制系统进行优化，提高了控制精度。并联合2种训练系统进行微重力环境协同训练研究。仿真和实验结果表明，虚拟微重力训练系统结构合理，控制系统稳定，与现有的航天员虚拟微重力训练设备相比，具有工作空间大、单次训练时间长、控制精度高、安全性高、系统鲁棒性好等优点。. 本项目提升了航天员的空间作业能力，对于推动临场感技术的进步，促进我国航天科技发展有重要的科学价值、社会意义和市场前景。