空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)內(nèi)涵及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094）

論述了空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵，指出其與其它人機(jī)關(guān)系相比具有平等性、獨(dú)立性和協(xié)同性的特點(diǎn)；分析了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況，得出目前人機(jī)協(xié)同作業(yè)研究大多集中在人機(jī)交互領(lǐng)域，缺乏對(duì)頂層的研究；指出需要重點(diǎn)關(guān)注的人機(jī)任務(wù)分配、人機(jī)安全控制和人機(jī)信息交互三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并提出了我國(guó)開(kāi)展空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的發(fā)展建議，如與遙操作技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合、充分注重在軌演示、應(yīng)當(dāng)先采用人主機(jī)輔的模式等。

人機(jī)協(xié)同；空間任務(wù)；內(nèi)涵；關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

隨著空間科學(xué)、空間應(yīng)用和在軌服務(wù)需求的不斷增加，要求航天員開(kāi)展越來(lái)越多的空間作業(yè)。未來(lái)載人登月或月球基地工程的實(shí)施，更是需要航天員進(jìn)行月面勘探、采樣，乃至于原材料冶煉、建筑材料生產(chǎn)、基地建筑建造等一系列復(fù)雜作業(yè)。但是由于微（低）重力的影響，航天員容易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)感覺(jué)紊亂、失去定向以及肌肉緊張度過(guò)高等問(wèn)題；航天員活動(dòng)還將受到航天服、光照、心理恐慌等因素的制約，工作能力有很大程度的下降［1］。為提升任務(wù)的成功率，減小航天員工作負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)，采取人與機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，不僅能使人的形象思維、直覺(jué)判斷和工作經(jīng)驗(yàn)與長(zhǎng)期存儲(chǔ)、可精確推理與快速數(shù)據(jù)處理的機(jī)器人的人工智能有機(jī)融合，同時(shí)還能使人的靈活操作與機(jī)器人的快速與精確操作無(wú)縫結(jié)合，有效發(fā)揮人機(jī)的整體優(yōu)勢(shì)，從而確?？臻g任務(wù)的順利實(shí)施。相對(duì)于地面任務(wù)，載人航天任務(wù)中人機(jī)協(xié)同關(guān)系更為復(fù)雜，技術(shù)難度更大。目前，國(guó)外正在積極開(kāi)展空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同研究，美國(guó)航空航天局（NASA）還進(jìn)行了人機(jī)協(xié)同作業(yè)的模擬試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)則主要是集中于人機(jī)交互技術(shù)研究?？偟膩?lái)說(shuō)，目前對(duì)人機(jī)協(xié)同的研究仍以機(jī)器人為主，缺乏對(duì)人機(jī)關(guān)系的頂層研究。本文將對(duì)空間任務(wù)中人機(jī)協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵、發(fā)展思路及關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，為空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的發(fā)展提供參考。

2 空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)內(nèi)涵

人機(jī)協(xié)同的“機(jī)”可以是計(jì)算機(jī)、機(jī)器或機(jī)器人，本文中的空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同中的“機(jī)”專指機(jī)器人。人與機(jī)器人的關(guān)系包括人機(jī)協(xié)同、機(jī)器人遙操作、人機(jī)結(jié)合、人機(jī)聯(lián)合［2］等概念。這些概念在含義上既有相似之處，也有區(qū)別［3］。目前，尚無(wú)人機(jī)協(xié)同統(tǒng)一的定義，學(xué)者們的研究也未嚴(yán)格區(qū)分各種人機(jī)關(guān)系。本文認(rèn)為空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)是指航天員與機(jī)器人密切配合，相互協(xié)作，共同完成特定的空間任務(wù)。從其概念可以看出，人機(jī)協(xié)同包含兩個(gè)要素：人機(jī)分工和人機(jī)耦合。人機(jī)分工要求充分發(fā)揮人機(jī)各自的特長(zhǎng)；人機(jī)耦合則是人機(jī)信息的交互和行為的互助，發(fā)揮人機(jī)的整體優(yōu)勢(shì)。

相對(duì)于其它人機(jī)關(guān)系，人機(jī)協(xié)同作業(yè)中，人與機(jī)器人之間的關(guān)系有以下特征：

（1）平等性。機(jī)器人和協(xié)同作業(yè)航天員處于相對(duì)平等的地位，即兩者是“同事”關(guān)系，而不是“控制”與“被控制”的關(guān)系，但可以是“領(lǐng)導(dǎo)”與“被領(lǐng)導(dǎo)”的關(guān)系。機(jī)器人不是航天員作業(yè)的執(zhí)行末端，航天員也不是機(jī)器人的控制中心，但是航天員也可以對(duì)機(jī)器人采取現(xiàn)場(chǎng)程序調(diào)制或應(yīng)急控制等措施。

（2）獨(dú)立性。機(jī)器人與航天員是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的實(shí)體，具備單獨(dú)作業(yè)能力。機(jī)器人可以是自主控制，也可以是遙操作控制，或是兩者結(jié)合，脫離了協(xié)同作業(yè)的航天員也能獨(dú)立工作。這與人機(jī)結(jié)合有顯著區(qū)別。

（3）協(xié)同性。機(jī)器人與航天員必須有交流和配合，以合作的方式共同完成某項(xiàng)空間任務(wù)。人機(jī)協(xié)同并非是航天員和機(jī)器人的簡(jiǎn)單組合，而是按照一定關(guān)系、模式組合起來(lái)的“整體”。機(jī)器人和航天員不僅能進(jìn)行信息的交互，還可以進(jìn)行行為的互助和任務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。如果只強(qiáng)調(diào)人與機(jī)器人共同完成任務(wù)，則屬于人機(jī)聯(lián)合的范疇。

由于作業(yè)環(huán)境和任務(wù)特點(diǎn)的不同，空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)相對(duì)于地面人機(jī)協(xié)同作業(yè)有以下特點(diǎn)：

（1）人機(jī)交互難度大。在真空、微（低）重力、空間輻射環(huán)境下，航天員活動(dòng)還受到航天服的約束，這都不利于航天員和機(jī)器人之間的信息交互，為深化人機(jī)交互程度增加了難度。

（2）同時(shí)存在多人間協(xié)同。機(jī)器人由于智能化程度不足，更多時(shí)候還將依靠遙操作進(jìn)行，協(xié)同作業(yè)航天員不僅需要與機(jī)器人進(jìn)行協(xié)作，還將時(shí)刻與機(jī)器人操作人員、地面監(jiān)視和技術(shù)支持人員進(jìn)行信息交互，如圖1所示。因此實(shí)際上作業(yè)航天員需要與多人及機(jī)器人進(jìn)行協(xié)同作業(yè)。而天地延時(shí)現(xiàn)象的存在，為這種協(xié)同作業(yè)增加了更大的難度。

（3）人機(jī)功能動(dòng)態(tài)分配。實(shí)施空間任務(wù)時(shí)，由于存在很多未知情況，如在地外天體表面作業(yè)時(shí)，人類對(duì)地外天體表面的地表特征和任務(wù)對(duì)象等并不完全掌握，因此難以提前詳細(xì)規(guī)劃各項(xiàng)任務(wù)，這就要求人機(jī)需要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配任務(wù)。

圖1 空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)模式Eig.1 Human-robot collaboration mode in space

3 國(guó)內(nèi)外人機(jī)協(xié)同研究現(xiàn)狀

早期的人機(jī)協(xié)同就是人與計(jì)算機(jī)的協(xié)同，這也是人與機(jī)器人協(xié)同作業(yè)的基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代末，人工智能發(fā)展陷入低潮的時(shí)候，LENAT［4］提出一個(gè)預(yù)測(cè)：“‘系統(tǒng)'將使智能計(jì)算機(jī)和智能人之間形成一種合作關(guān)系，人和計(jì)算機(jī)各自完成自己最擅長(zhǎng)的任務(wù)，系統(tǒng)的智能是這種合作的產(chǎn)物?！被谏鲜稣摂啵瑖?guó)外學(xué)者發(fā)表了一系列關(guān)于人機(jī)協(xié)同原則、框架和系統(tǒng)的理論研究成果。P.Millot等人［5］提出一種動(dòng)態(tài)完成任務(wù)的人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和評(píng)估方法，包括在人機(jī)任務(wù)分配和合作模式和評(píng)估準(zhǔn)則。Pacaux-Lemoine M.-P.等人［6］指出人機(jī)協(xié)同需要解決兩個(gè)問(wèn)題，即機(jī)器人如何完成任務(wù)和機(jī)器人與人之間如何進(jìn)行配合。

1995年Jones等人［7］提出了人機(jī)系統(tǒng)研究的集成方法論，包括知識(shí)獲取、人的功能建模、人機(jī)交互環(huán)境、知識(shí)體系建模和智能輔助或合作系統(tǒng)5個(gè)部分，并實(shí)現(xiàn)了人機(jī)結(jié)合的衛(wèi)星地面控制系統(tǒng)，使人機(jī)合作系統(tǒng)建模和結(jié)構(gòu)研究更加深入［8］。Pramila Rali等人［9］提出一種高敏感度的人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)。機(jī)器人采用生物傳感器獲取人的狀態(tài)信息，并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Dennis Perzanowski等人［10］設(shè)計(jì)了基于多模態(tài)信息人機(jī)交互的人機(jī)合作系統(tǒng)，人機(jī)交互的手段包括語(yǔ)言、手勢(shì)等。Donald Sofge等人［11］采用設(shè)計(jì)了多種人機(jī)交互界面，建立機(jī)器人航天員認(rèn)知模型，提出了類人機(jī)器人（Robonaut）與人在軌協(xié)同作業(yè)的設(shè)想。

NASA為重返月球和載人登陸火星，啟動(dòng)了“人與機(jī)器人系統(tǒng)”（Human Robotic System，HRS）項(xiàng)目［12］，將機(jī)器人作為航天員的伙伴，研究了多種人機(jī)組成，共同開(kāi)展月面作業(yè)（見(jiàn)圖2）。試驗(yàn)表明人機(jī)共同開(kāi)展月面作業(yè)確實(shí)減少了航天員的艙外活動(dòng)時(shí)間和工作量。

圖2 NASA的人機(jī)作業(yè)任務(wù)模擬試驗(yàn)Eig.2 NASA simulated experiment on human-robot collaboration

國(guó)內(nèi)目前還未見(jiàn)對(duì)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的研究，僅是對(duì)人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行了研究［13］。但國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)人機(jī)一體化思想進(jìn)行了有益的探索。1990年，錢學(xué)森等人［14］提出人機(jī)結(jié)合的概念。楊燦軍［15］等人對(duì)人機(jī)一體化智能系統(tǒng)理論及應(yīng)用進(jìn)行了探索。之后滕弘飛等人［16］從工程應(yīng)用角度綜述若干關(guān)鍵支持技術(shù)，包括人機(jī)結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、代理（Agent）、計(jì)算智能、信息感知與融合和泛化的綜合集成等。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)人機(jī)協(xié)同的研究，仍以機(jī)器人為主，一些學(xué)者在人機(jī)交互傳感器、設(shè)備、技術(shù)等方面跟蹤國(guó)外相關(guān)技術(shù)開(kāi)展了研究，但缺乏對(duì)人機(jī)關(guān)系頂層方面的研究。對(duì)人機(jī)任務(wù)分配的理論研究尚在起步階段。對(duì)于相對(duì)抽象的人機(jī)關(guān)系，也只從人與機(jī)器人的特征分析入手，定性層面提出了各自適合的工作類型，而針對(duì)空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同的研究則更是鳳毛麟角。

4 空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

從空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的內(nèi)涵可以看出，其主要就是涉及2個(gè)方面問(wèn)題：一是機(jī)器人的能力，對(duì)于特定的環(huán)境和任務(wù)，機(jī)器人應(yīng)具備何種能力；二是人與機(jī)器人如何配合，空間任務(wù)中機(jī)器人適于承擔(dān)哪些任務(wù)，怎樣實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。對(duì)于機(jī)器人的能力，這是整個(gè)人機(jī)協(xié)同的核心，關(guān)系到人機(jī)協(xié)同的程度。機(jī)器人技術(shù)研究較多，本文不再詳細(xì)論述。第二個(gè)問(wèn)題，可以進(jìn)一步延伸為3個(gè)技術(shù)問(wèn)題：人機(jī)任務(wù)分配、人機(jī)安全控制和人機(jī)信息交互。

4.1 人機(jī)任務(wù)分配

人機(jī)協(xié)同要求人和機(jī)器人既獨(dú)立又相互配合開(kāi)展作業(yè)，因此人和機(jī)器人的分工十分重要。人機(jī)協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一個(gè)問(wèn)題就是明確人機(jī)各自的任務(wù)，包括：哪些任務(wù)需要人機(jī)協(xié)同開(kāi)展，哪些任務(wù)應(yīng)當(dāng)屬于人或機(jī)器人負(fù)責(zé)，現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)任務(wù)如何分配等一系列問(wèn)題。尤其是對(duì)于地外天體表面人機(jī)協(xié)同作業(yè)，任務(wù)復(fù)雜，天地通信延時(shí)更嚴(yán)重，這一問(wèn)題顯得更為突出。人機(jī)任務(wù)分配須考慮到系統(tǒng)論、運(yùn)籌學(xué)和工效學(xué)等多方面因素，雖然有很多學(xué)者進(jìn)行了研究，但只解決了某個(gè)領(lǐng)域中的部分問(wèn)題［15］。目前還沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的、可普遍采用的任務(wù)分配決策方法。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般需要根據(jù)航天員能力、機(jī)器人水平、支持費(fèi)用等因素進(jìn)行分配，而且與具體的任務(wù)相關(guān)。通常而言，在任務(wù)開(kāi)展前將完成任務(wù)的分配，但是對(duì)于空間任務(wù)而言，雖然任務(wù)規(guī)劃時(shí)可進(jìn)行大部分任務(wù)的分配，但仍需要作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)既定原則進(jìn)行決策。總的原則是：在人機(jī)任務(wù)分配時(shí)，要充分發(fā)揮航天員和機(jī)器操作的各自特長(zhǎng)，避其所短，使得任務(wù)設(shè)計(jì)在整體上達(dá)到高效、安全、可靠而經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。具體而言，在確保安全可靠的前提下，可以采用以下一種或幾種分配原則。

（1）匹配性分配原則：誰(shuí)能完成任務(wù)的質(zhì)量和速度更快，就將任務(wù)分配給誰(shuí)。

（2）機(jī)器人優(yōu)先原則：優(yōu)先將任務(wù)分配給機(jī)器人，剩下的分配給人。

（3）能動(dòng)性分配原則：注重發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性，將體現(xiàn)個(gè)人價(jià)值和能力的任務(wù)分配給人。

（4）經(jīng)濟(jì)性分配原則：以任務(wù)成本為首要依據(jù)，任務(wù)的分配視經(jīng)濟(jì)與否而定。

4.2 人機(jī)安全控制

安全是機(jī)器人與人近距離開(kāi)展工作的首要要求。人和機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，除了滿足航天員獨(dú)立開(kāi)展作業(yè)的各項(xiàng)安全要求外，還需要防止機(jī)器人對(duì)航天員的傷害。機(jī)器人對(duì)航天員的傷害主要在以下3種情況時(shí)產(chǎn)生：一是航天員進(jìn)入機(jī)器人作業(yè)路徑內(nèi)，機(jī)器人可能對(duì)航天員產(chǎn)生碰撞等危險(xiǎn)；二是操作人員可能會(huì)發(fā)送不正確或不合理的操作指令，導(dǎo)致空間服務(wù)機(jī)械臂等非正常的運(yùn)動(dòng)從而給航天員帶來(lái)威脅；三是機(jī)器人硬件或軟件發(fā)生故障進(jìn)而失去控制。

對(duì)于第一種情況，通常在機(jī)器人作業(yè)時(shí)是劃定一個(gè)工作區(qū)域，禁止人員進(jìn)入。但對(duì)于人機(jī)協(xié)同作業(yè)，這顯然是不合適的［17］，因?yàn)楹教靻T與機(jī)器人位置關(guān)系，不能有固定約束。為解決這個(gè)問(wèn)題，機(jī)器人可以采用多傳感器確定人與機(jī)器人之間的相對(duì)位置［18］。若判定機(jī)器人機(jī)械臂工作區(qū)域內(nèi)沒(méi)有航天員存在時(shí)，機(jī)械臂可以以最快的速度工作；若航天員在工作區(qū)域內(nèi)，但在一個(gè)安全距離，則以特定速度進(jìn)行工作。一旦有人闖入機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑時(shí)，機(jī)械臂能馬上停止，或是通過(guò)改變運(yùn)動(dòng)路徑，規(guī)避航天員。對(duì)于誤操作，通常設(shè)定了機(jī)器人作業(yè)的原則，即機(jī)器人不能傷害人，或者說(shuō)，不能因無(wú)所作為而使人受到傷害；機(jī)器人必須服從人給出的指令，除非它與第一條原則相違背。通過(guò)這兩項(xiàng)原則進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)，能確保機(jī)器人不對(duì)航天員進(jìn)行直接的傷害。但是仍無(wú)法確保避免間接傷害。對(duì)于機(jī)器人故障，除了加強(qiáng)機(jī)器人魯棒性設(shè)計(jì)外，通常是建立應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)，可以由現(xiàn)場(chǎng)航天員進(jìn)行控制，也可以是其它航天員（如艙內(nèi)或基地內(nèi)航天員或地面人員）控制，在發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，能緊急暫停機(jī)器人工作。

以上所有的策略，均需要有足夠靈敏度的傳感器和運(yùn)算速度足夠快的計(jì)算機(jī)。但是就目前的技術(shù)，尤其是在空間條件有限的情況下，運(yùn)算速度難以保證。在航天員進(jìn)行應(yīng)急避險(xiǎn)或操作時(shí)，可能傷害已經(jīng)造成。

4.3 人機(jī)信息交互

通過(guò)人機(jī)交互能將航天員的意圖準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳遞給機(jī)器人，也能將機(jī)器人的狀態(tài)信息以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)信息準(zhǔn)確、快速地反饋給航天員，以使人和機(jī)器人能夠高效自然地協(xié)同完成任務(wù)。目前機(jī)器人感知的主要形式有形式化計(jì)算機(jī)語(yǔ)言、自然語(yǔ)言理解與處理以及圖形圖像識(shí)別等。此外，研究比較多的基于多模態(tài)腦電波信號(hào)的腦機(jī)交互技術(shù)，也取得了豐碩成果，但到目前為止，仍然處于探索階段［19-20］。

形式化計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是目前人與計(jì)算機(jī)通信的主流，由于輸入不方便難以在人與機(jī)器人協(xié)同作業(yè)中廣泛應(yīng)用。由于空間任務(wù)時(shí)人與機(jī)器人的距離可能在目視范圍內(nèi)，也可能是在遠(yuǎn)距離作業(yè)，因此對(duì)自然語(yǔ)言交互的需求更為強(qiáng)烈。目前理解和處理自然語(yǔ)言有許多方法［21］，本質(zhì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)做基于規(guī)則的匹配、推理或統(tǒng)計(jì)等工作。自然語(yǔ)言理解面臨如下難題：一是用詞無(wú)明顯的規(guī)律性；二是用詞不規(guī)范［22］；三是不同的語(yǔ)境漢語(yǔ)有多種理解?？偠灾?，自然語(yǔ)言遠(yuǎn)未達(dá)到人機(jī)自然“對(duì)話”水平。圖形圖像人機(jī)交互主要是通過(guò)對(duì)人的肢體動(dòng)作、表情等進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷出人的意圖信息［23］。但是人的肢體動(dòng)作形狀復(fù)雜而且多變，從二維圖像或視頻序列中準(zhǔn)確識(shí)別，需要面臨很多困難。目前地面基于視覺(jué)的手勢(shì)識(shí)別系統(tǒng)也不成熟，存在識(shí)別率不穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性較差等缺點(diǎn)［24］?？臻g任務(wù)圖形圖像交互還將面臨以下影響因素：肢體動(dòng)作的形變、光照變化、膚色漂移、遮擋及硬件條件約束等。

5 我國(guó)空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同發(fā)展建議

通過(guò)載人航天一期和二期工程，我國(guó)載人航天具備了航天員安全進(jìn)入太空和返回地面能力，掌握了航天員出艙活動(dòng)、交會(huì)對(duì)接等一系列關(guān)鍵技術(shù)。但是對(duì)人機(jī)協(xié)同作業(yè)所必須的航天員艙外作業(yè)技術(shù)、空間自由服務(wù)機(jī)器人技術(shù)，還有待通過(guò)空間站工程的研制進(jìn)行突破。對(duì)于地外星體表面作業(yè)技術(shù)和地外天體表面智能機(jī)器人技術(shù)，由于尚未登陸任何地外天體，目前還處于理論研究階段。但是，由于人機(jī)協(xié)同的優(yōu)勢(shì)，必然是載人航天發(fā)展的一個(gè)重要方向，我國(guó)應(yīng)提前在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展技術(shù)研究，為未來(lái)月球基地人機(jī)協(xié)同作業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。該領(lǐng)域的研究和發(fā)展應(yīng)當(dāng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）提前開(kāi)展人機(jī)協(xié)同關(guān)鍵問(wèn)題研究。人機(jī)任務(wù)的設(shè)計(jì)與分配屬于多目標(biāo)決策的范疇，與航天員安全、任務(wù)成功率、任務(wù)執(zhí)行效率、任務(wù)成本等密切相關(guān)；不同任務(wù)采用的人機(jī)協(xié)同模式也不同。航天員的安全在載人航天中永遠(yuǎn)是首位，因此如何在保證安全性的前提下，通過(guò)功能分析和新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)效費(fèi)比最優(yōu)是其最大目標(biāo)。未來(lái)可以借助于人工智能的發(fā)展，建立相應(yīng)的決策模型，為任務(wù)的分配和優(yōu)化提供參考。人機(jī)安全控制的重要手段除了制定有效安全策略和高效算法外，研制高靈敏度傳感器和高速率計(jì)算機(jī)是解決該問(wèn)題的有效方法。人機(jī)信息交互的發(fā)展目前將呈現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)，語(yǔ)音和腦機(jī)交互是未來(lái)實(shí)用的自然交互技術(shù)，以認(rèn)知科學(xué)為基礎(chǔ)的交互模型和設(shè)計(jì)方法，是當(dāng)前人機(jī)信息交互設(shè)計(jì)的重要研究方向。

（2）與遙操作技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用緊密結(jié)合。人機(jī)協(xié)同最大的制約之一在于機(jī)器人的智能化。在惡劣的空間環(huán)境中操作，對(duì)機(jī)器人的自主性要求更高。而目前我國(guó)空間機(jī)器人的研制水平與工程應(yīng)用還有較大差距。為了降低難度，在人機(jī)協(xié)同作業(yè)發(fā)展初期，機(jī)器人適宜采用遙操作控制，可以是地面遙操作也可以是在軌遙操作。

（3）充分注重在軌演示?？臻g環(huán)境與地面環(huán)境有較大差異，地面演示驗(yàn)證也并不能完全模擬在軌情況，由此在軌演示驗(yàn)證顯得尤為重要。目前我國(guó)正在開(kāi)展載人航天三期工程空間站的研制。人機(jī)協(xié)同作業(yè)的發(fā)展，應(yīng)充分利用這個(gè)平臺(tái)，通過(guò)在軌演示驗(yàn)證，掌握相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

（4）先開(kāi)展艙內(nèi)協(xié)同作業(yè)驗(yàn)證，再進(jìn)行艙外協(xié)同作業(yè)實(shí)施。艙外環(huán)境較復(fù)雜，航天員應(yīng)急救生也相對(duì)困難。而密封艙內(nèi)便于采取應(yīng)急措施，艙內(nèi)任務(wù)也可提前進(jìn)行規(guī)劃。因此應(yīng)當(dāng)提前謀劃在空間站密封艙內(nèi)開(kāi)展人機(jī)協(xié)同作業(yè)驗(yàn)證，掌握相關(guān)技術(shù)后，然后由航天員與艙外機(jī)械臂進(jìn)行人機(jī)協(xié)同作業(yè)驗(yàn)證，再次由航天員與在軌自由服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行艙外作業(yè)，為未來(lái)的地外天體表面人機(jī)協(xié)同作業(yè)奠定基礎(chǔ)。

（5）應(yīng)當(dāng)先采用人主機(jī)輔的模式。人機(jī)協(xié)同有多種模式，包括人主機(jī)輔、機(jī)主人輔、人機(jī)平等3種模式，可根據(jù)不同的任務(wù)特征進(jìn)行選擇。在機(jī)器人和遙操作技術(shù)不夠完備的情況下，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用人主機(jī)輔的模式。因?yàn)槿嗽诟兄?、思維、執(zhí)行能力具有創(chuàng)造性和一致性，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況預(yù)知可能的發(fā)展趨勢(shì)，能更有效地掌控現(xiàn)場(chǎng)狀況，作業(yè)安全性相對(duì)更高。

6 結(jié)束語(yǔ)

空間機(jī)器人是空間站后續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，未來(lái)機(jī)器人必將在空間作業(yè)中發(fā)揮更大的作用。航天員與機(jī)器人協(xié)同開(kāi)展作業(yè)任務(wù)，能有效發(fā)揮人機(jī)整體優(yōu)勢(shì)，取得更高的效益。但是目前空間機(jī)器人尚未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，空間人機(jī)協(xié)同任務(wù)面臨諸多的困難，相關(guān)研究還處于探索階段。我國(guó)若盡早深入開(kāi)展空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)研究，一方面可以占領(lǐng)空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)制高點(diǎn)，另一方面對(duì)我國(guó)深入開(kāi)展空間科學(xué)研究、空間應(yīng)用和在軌服務(wù)的發(fā)展具有重要意義，為月球基地的人機(jī)協(xié)同作業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)前我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)展空間任務(wù)人機(jī)協(xié)同作業(yè)前期研究工作，對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，以盡早實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。

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（編輯：李多）

Connotation and Key Technologies of Human-robot Collaboration in Space

ZHU Enyong WEI Chuanfeng LI Zhe
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Connotation of human-robot collaboration operation in space is put forward.Difference between human-robot collaboration and other human-robot system are analyzed，such as equality，independency and cooperation.Research on this field of all over the world is generalized，and a conclusion is get that research on human-robot collaboration is focused on human-robot interaction and top level study on human-robot collaboration is of shortage at present.Three key issues are pointed out，including assignment allocation between human and robot，human-robot interaction and human-robot safety.Some suggestions are advanced for our country's developing human-robot collaboration in space，for example，combining development with application of telerobot，paying attention to on-orbit testing and using“human protagonist robot costar”pattern at early stage and so on.

human-robot collaboration；space mission；connotation；key technologies

R857

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.015

2015-03-25；

2015-04-27

朱恩涌，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事航天器在軌服務(wù)和總體設(shè)計(jì)工作。Email：zey4217@163.com。