加拿大移動服務(wù)系統(tǒng)地面遙操作模式綜述

郭祥艷，劉傳凱，王曉雪

（1. 北京航天飛行控制中心，北京 100094；2. 航天飛行動力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引 言

按照我國空間站工程總體規(guī)劃，將在2020年前后，建成和運(yùn)營近地載人空間站[1]。在空間站最初建造及后期運(yùn)行過程中，大多數(shù)艙外活動必須借助于機(jī)械臂，機(jī)械臂對于空間站在軌組裝、外部維修以及日常運(yùn)行維護(hù)起著至關(guān)重要的作用。目前，國際空間站最具代表性的艙外機(jī)械臂系統(tǒng)是安裝在美國艙段上的加拿大移動服務(wù)系統(tǒng)（Mobile Satellite Services, MSS），該系統(tǒng)主要包含一個大型遙操作臂系統(tǒng)（SSRMS）和一個特殊用途靈巧操作臂（SPDM），此外，空間站上的大型艙外機(jī)器人系統(tǒng)還包括俄羅斯艙段上的歐洲臂（ERA）和日本實(shí)驗(yàn)艙上的遠(yuǎn)程機(jī)械臂系統(tǒng)（JEMRMS）[2-8]。針對空間站的搭建和維護(hù)任務(wù)，我國于2007年開始中國空間站遠(yuǎn)程機(jī)械臂系統(tǒng)（CSSRMS）的研制[9]。CSSRMS由核心艙機(jī)械臂（CMM）和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂組成（EMM），當(dāng)前CMM可實(shí)現(xiàn)技術(shù)性能指標(biāo)與國際空間站上機(jī)械臂對比情況如表1所示[10-13]。

由表1可知，CMM的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均與當(dāng)前國際空間站上機(jī)械臂水平相當(dāng)，其中載荷能力、位姿精度和移動速度等關(guān)鍵指標(biāo)和SSRMS比較接近。

基于當(dāng)前正在開展的CSSRMS地面遙操作仿真驗(yàn)證工作[14]，本文重點(diǎn)關(guān)注與我國空間站機(jī)械臂構(gòu)型和技術(shù)指標(biāo)接近的MSS系統(tǒng)，主要對MSS地面遙操作控制模式進(jìn)行調(diào)研，分析MSS地面遙操作系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及采取的應(yīng)對措施，概述MSS地面遙操作任務(wù)規(guī)劃、執(zhí)行和在軌調(diào)試過程，以期對未來我國空間站機(jī)械臂地面遙操作控制提供參考。

1 MSS系統(tǒng)構(gòu)成及控制模式演變

MSS是由加拿大和美國國家航空航天局（NASA）聯(lián)合研制的艙外機(jī)械臂系統(tǒng)，其主要由5個子系統(tǒng)構(gòu)成[15]：①機(jī)械臂工作站（RWS）；②空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)SSRMS；③移動基座系統(tǒng)（MBS）；④移動運(yùn)輸裝置（MT）；⑤SPDM，如圖1所示。其中，RWS是MSS唯一布置在艙內(nèi)的組件。RWS包括手動控制器、監(jiān)視器、控制面板（DCP）和筆記本電腦（PCS）（作為MSS在軌操作的接口）。除此之外，RWS也控制著MSS上的中央處理計(jì)算機(jī)單元（CEU），該單元是MSS和ISS上指令和控制計(jì)算機(jī)（C&C）之間的接口；SSRMS安裝于MBS上，MBS為SSRMS提供了4個電源數(shù)據(jù)抓桿固定器（PDGF），通過SSRMS上與之相連的鎖式末端效應(yīng)器（LEE），PDGF不僅為SSRMS提供電能及數(shù)據(jù)與視頻信號，而且提供移行據(jù)點(diǎn)。SSRMS的任一端均可與PDGF相連，以類似尺蠖移行的方式，雙端交互地移動，到達(dá)ISS許多部位[16]。SSRMS與空間站通過MT連接，可以沿著位于空間站桁架外側(cè)的固定軌道滑動，大大擴(kuò)展了機(jī)械臂的工作范圍。SPDM也叫Dextre[17]于2008年由“ 奮進(jìn)號 ”（STS Endeavour OV–105）PDGF 航天飛機(jī)送至國際空間站，Dextre擁有兩個手臂，并具有工具抓手和手臂關(guān)節(jié)，用來執(zhí)行一些維修任務(wù)，這些任務(wù)以往通常需要航天員出艙活動才能完成，大大提升了機(jī)械臂承擔(dān)空間作業(yè)的操作精度和復(fù)雜性。

表1 CSSRMS與空間站上機(jī)械臂性能指標(biāo)比較Table 1 Performance comparison of CSSRMS and other manipulators

圖1 加拿大MSS系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 1 The system configuration of Canadian MSS system

MSS最初設(shè)計(jì)時僅考慮航天員在軌操作模式，其構(gòu)成中的SSRMS是基于航天飛機(jī)遙操作機(jī)械臂系統(tǒng)（SRMS）發(fā)展而來的，因此其控制方式主要依靠有人在內(nèi)的閉環(huán)操作模式，即由航天員在國際空間站內(nèi)使用手動控制器操縱機(jī)械臂，所有機(jī)械裝置的運(yùn)動指令都是由航天員使用DCP上的手動控制器和物理轉(zhuǎn)換器發(fā)出，同時使用視頻監(jiān)視器監(jiān)視指令執(zhí)行過程。由于機(jī)械臂關(guān)節(jié)和鎖式末端效應(yīng)器的運(yùn)動指令只能通過DCP上的硬件開關(guān)發(fā)送，地面不能發(fā)送任何運(yùn)動指令，但是地面能夠發(fā)送設(shè)備開關(guān)機(jī)、視頻系統(tǒng)配置等軟指令，這些軟指令通過ISS上指令和控制計(jì)算機(jī)發(fā)送給MSS的中央處理計(jì)算機(jī)。

隨著SSRMS操作經(jīng)驗(yàn)的逐步豐富，航天員在艙內(nèi)控制機(jī)械臂的操作模式出現(xiàn)許多新的問題：一是隨著機(jī)械臂復(fù)雜程度的提高，在地面培訓(xùn)航天員進(jìn)行機(jī)械臂操作并維持其在軌時的正常操作水平所耗費(fèi)的時間顯著增加；二是機(jī)械臂操作任務(wù)大都錯綜復(fù)雜，通常需占用航天員大量的時間，而國際空間站宇航員每天僅限6.5 h的工作時間無法完成復(fù)雜的Dextre維護(hù)操作；三是通過對Dextre維護(hù)操作分析發(fā)現(xiàn)，相對于實(shí)際更換失效組件而言，宇航員大量的時間都花費(fèi)在空閑部件恢復(fù)和操作現(xiàn)場準(zhǔn)備上。因此，2002年在加拿大空間局（Canadian Space Agency, CSA）和NASA聯(lián)合舉辦的技術(shù)交流大會上提出了發(fā)展地面遙操作模式的解決方案[15]，即對于部分常規(guī)例行檢測任務(wù)，通過地面遙操作的方式實(shí)現(xiàn)。2005年，CSA首次實(shí)現(xiàn)了SSRMS受限的地面遙操作，從實(shí)現(xiàn)了自由空間的小型機(jī)動，到逐漸發(fā)展為不限制運(yùn)動規(guī)模的聯(lián)合關(guān)節(jié)運(yùn)動[18]。

2 MSS地面遙操作模式及其約束條件

CSA實(shí)現(xiàn)MSS地面遙操作控制過程中主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：①從工程角度來說，地面遙操作面臨的最大挑戰(zhàn)是地面控制指令和遙測信號的時延，典型的觀測時延達(dá)到3～10 s，時延加大了操作者響應(yīng)系統(tǒng)行為的時間，影響了遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②從操作角度來說，面臨的主要挑戰(zhàn)是ISS和地面控制站之間缺乏持續(xù)的通信流，在通信中斷或受限時段，地面操作者無法通過遙測和視覺信號監(jiān)視SSRMS運(yùn)動過程及其與空間站本體之間的間隙，從而限定了地面控制人員可操作時間；③從設(shè)計(jì)角度來說，挑戰(zhàn)在于地面遙操作控制中心要盡可能使用目前發(fā)往ISS地面指令結(jié)構(gòu)，不要有復(fù)雜的或不必要的硬件或軟件更改。為了解決上述問題，CSA通過地面遙操作模式的選擇和附加相應(yīng)的約束條件來實(shí)現(xiàn)。

2.1 地面遙操作模式

地面遙操作模式的選擇與MSS在軌操作控制模式相關(guān)，在介紹地面遙操作模式之前，有必要首先對MSS在軌控制模式進(jìn)行分析。

MSS在軌航天員通過手動和自主兩種模式來控制機(jī)械臂[19]。在手動模式下，MSS中央處理計(jì)算機(jī)將操作者手動輸入轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)運(yùn)動指令，其中手動控制器偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)速率指令。手動控制要求操作者是閉環(huán)控制回路的一部分，操作者可以通過遙測信息或RWS上的視頻顯示器來調(diào)整手動控制器輸入[20-21]。在自主模式下，操作者在計(jì)算機(jī)中輸入機(jī)械臂起始位置和目標(biāo)位置等配置信息，由中央處理計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡，具體可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：一種是操作者指定機(jī)械臂末端或附加載荷6自由度的直角坐標(biāo)，機(jī)械臂末端或載荷的速率指令由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，其僅需按照指令要求運(yùn)動到指定的目的位置；另一種方式是由操作者指定機(jī)械臂目標(biāo)關(guān)節(jié)角配置，之后由計(jì)算機(jī)控制機(jī)械臂所有關(guān)節(jié)同時到達(dá)最終構(gòu)型。通常來說，手動控制方式經(jīng)常用于鄰近和接觸操作，自主模式主要用于長距離移動操作。

相對于在軌操作而言，地面遙操作控制方式也有手動和自主兩種。在手動模式下，機(jī)械臂和地面遙操作中心之間信號傳輸?shù)难訒r問題尤為突出。由于延時的存在，地面操作員的輸入是響應(yīng)操作者觀察到的機(jī)械臂系統(tǒng)10 s之前的行為，與在軌操作相比，系統(tǒng)延時拉大了地面操作者10 s的反應(yīng)時間，考慮機(jī)械臂此時的運(yùn)動速度及空間站本體的間隙和操作類型等，5～10 s的延時可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。除此之外，地面手動控制機(jī)械臂需要操作者經(jīng)常性地輸入控制參數(shù)以控制機(jī)械臂末端或有效載荷的運(yùn)動，因此在地面與空間站通信中斷期間，控制回路出現(xiàn)中斷，此時還需要調(diào)用應(yīng)急處理機(jī)制來中斷機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動。

相對而言，自主控制模式不要求地面和空間站之間頻繁的通信，同時不受系統(tǒng)延時的影響。操作者不是閉環(huán)控制回路的組成，因此不需要經(jīng)常性向機(jī)械臂控制系統(tǒng)輸入控制信息。因此，MSS地面遙操作應(yīng)選用自主控制模式，所有由地面遙操作中心發(fā)起的機(jī)械臂運(yùn)動將依靠預(yù)編程的自主控制模式實(shí)現(xiàn)[15]。在這種模式下，地面操作者通過人機(jī)交互接口對機(jī)械臂進(jìn)行編程，編程的結(jié)果是一段連續(xù)的運(yùn)動軌跡，并在地面仿真驗(yàn)證中心進(jìn)行驗(yàn)證，只有經(jīng)過驗(yàn)證的軌跡才能發(fā)送到空間機(jī)械臂在軌執(zhí)行。空間機(jī)械臂接收到來自地面的符號指令后，在與空間站環(huán)境的交互過程中形成遠(yuǎn)端的閉合回路，將時延排除在地空控制回路之外，從而避免了地空大時延帶來的影響。

2.2 地面遙操作模式的約束條件

MSS地面遙操作單獨(dú)使用自主模式控制SSRMS的不足之處為：違背在軌操作實(shí)際，特別是在SSRMS鄰近和接觸負(fù)載過程中，操作者需要通過相機(jī)觀察SSRMS末端或者附加載荷的位置，并用手動控制器來糾正偏差，以此來控制SSRMS，但是對地面操作者來說，由于延時和通信弧段的限制，地面無法連續(xù)監(jiān)視SSRMS任務(wù)執(zhí)行過程。盡管在自主模式下不要求操作者經(jīng)常性的輸入，但是操作者仍需具備SSRMS任務(wù)執(zhí)行過程中的環(huán)境感知能力，以確保機(jī)械臂與空間站本體之間的間隙及匹配接口間的精度。

針對上述問題，MSS地面遙操作控制中心把任務(wù)執(zhí)行過程和間隙監(jiān)視及精度驗(yàn)證隔離開來。這一功能主要是通過對地面遙操作施加了一系列操作約束來實(shí)現(xiàn)的，具體總結(jié)如下：

1）地面控制策略須經(jīng)模擬器驗(yàn)證之后才能發(fā)送到MSS在軌執(zhí)行。

相對于手動控制而言，自主控制模式的優(yōu)越性在于它能生成唯一確定的軌跡，地面遙操作中心根據(jù)SSRMS起始和目的地的位置坐標(biāo)，估算出一個精確的、可重復(fù)驗(yàn)證的軌跡，在此過程中不需要操作者頻繁地修正輸入。SSRMS地面軌跡生成之后，將在封裝了各種飛行軟件和空間站環(huán)境模型的模擬器中驗(yàn)證，只有經(jīng)過驗(yàn)證的軌跡才可發(fā)送到空間站執(zhí)行。仿真驗(yàn)證過程中若發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動出現(xiàn)偏差或有參數(shù)異常時，由數(shù)據(jù)處理與任務(wù)仿真平臺給出偏差修正量或者新的路徑規(guī)劃。

2）對機(jī)械臂操作空間的視覺測量優(yōu)先于控制策略的預(yù)先規(guī)劃。

MSS地面遙操作中心根據(jù)對空間站環(huán)境和機(jī)械臂的先驗(yàn)知識在地面建立仿真模型，在具體任務(wù)實(shí)施過程中，首先使用視覺相機(jī)采集機(jī)械臂規(guī)劃路徑周圍的環(huán)境參數(shù)，之后將獲得的空間站當(dāng)前狀態(tài)和參數(shù)融合到地面仿真系統(tǒng)中，使得空間站外部環(huán)境的變化能夠在用于軌跡規(guī)劃和驗(yàn)證的圖形模型中及時反映出來。

3）機(jī)械臂抓取目標(biāo)之前需要使用相機(jī)視覺圖像對兩者之間對準(zhǔn)精度進(jìn)行驗(yàn)證。

機(jī)械臂在抓取目標(biāo)之前，地面操作者需要利用末端執(zhí)行器和操作接口間的多相機(jī)視覺圖像對兩者的對準(zhǔn)精度進(jìn)行驗(yàn)證，對準(zhǔn)驗(yàn)證過程中可以使用斷點(diǎn)中斷操作，在斷點(diǎn)處操作者可以使用相機(jī)圖像檢查對準(zhǔn)并進(jìn)行必要的修正操作。

4）地面遙操作執(zhí)行段限定為地空通信弧段內(nèi)。

CSA地面遙操作中心將地面遙操作限定在規(guī)劃的地空通信時間段內(nèi)執(zhí)行，期間機(jī)械臂在空間的各項(xiàng)參數(shù)通過遙測傳到地面后，由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將其實(shí)時地傳遞給數(shù)據(jù)處理和任務(wù)仿真平臺，進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動軌跡以及各項(xiàng)檢測參數(shù)的運(yùn)算和仿真分析，與任務(wù)路徑規(guī)劃相對照，其結(jié)果和各種參數(shù)與圖像實(shí)時地顯示在地面監(jiān)視控制系統(tǒng)中。盡管地面遙操作設(shè)計(jì)模式不需要地空之間持續(xù)的通信流，但是這項(xiàng)特殊的約束不僅能為地面操作者提供監(jiān)視任務(wù)執(zhí)行的功能，也為地面遙操作提供了額外的安全保障。為進(jìn)一步減小任務(wù)執(zhí)行過程中通信中斷的可能，地面遙操作SSRMS一次機(jī)動距離為5英尺①。

3 MSS地面遙操作過程分析

MSS地面遙操作控制過程包括任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)執(zhí)行和在軌調(diào)試3個階段，具體如下：

3.1 任務(wù)規(guī)劃

任務(wù)規(guī)劃主要功能是分解空間遙操作任務(wù)，并生成相應(yīng)的任務(wù)序列或空間站機(jī)械臂運(yùn)動數(shù)據(jù)。MSS任務(wù)規(guī)劃可以概括為以下六大方面的工作[22]：①機(jī)械臂軌跡設(shè)計(jì)；②地面操作流程開發(fā)和驗(yàn)證；③指令腳本的開發(fā)和確認(rèn)；④特定任務(wù)軟件配置文件的生成；⑤動力學(xué)和熱平衡分析；⑥與國際空間站其他活動的融合。

MSS將要執(zhí)行的任務(wù)確定之后，地面首先使用機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)（RPS）設(shè)計(jì)SSRMS和Dextre的運(yùn)動軌跡。RPS是一個運(yùn)動圖形模擬器（KPS），它能夠高精度地仿真空間站的外部環(huán)境和SSRMS及Dextre的任務(wù)執(zhí)行過程。任務(wù)設(shè)計(jì)者使用RPS將運(yùn)動軌跡分解為一系列的自動序列，并驗(yàn)證所產(chǎn)生的操作序列能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，同時又避免了奇異點(diǎn)、自碰撞、關(guān)節(jié)限制和結(jié)構(gòu)間隙等問題。然后任務(wù)設(shè)計(jì)者將所生成的自主序列和MSS指令用包含關(guān)鍵字的特定句法來表達(dá)，每一句代表一項(xiàng)特定的MSS功能或控制要求。自主流程生成工具根據(jù)這些定制的語言來生成要求的操作流程和指令腳本。地面操作流程是MS Word格式，它將作為地面控制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行遙操作審查、批準(zhǔn)和執(zhí)行的主要文檔。生成的指令腳本為文本文件，休斯頓任務(wù)控制中心（Motor Control Center, MCC）的指令應(yīng)用程序使用該指令腳本完成操作流程中列出的各項(xiàng)操作。

操作流程生成后，多名飛控人員對該流程進(jìn)行驗(yàn)證，包括使用模擬器驗(yàn)證和計(jì)算機(jī)復(fù)核。這個過程確保該操作流程滿足完整性約束、地面遙操作約束等條件，主要包括：前后流程的連續(xù)性；機(jī)械臂機(jī)動是否超出最大行程的限制；是否正確識別和保持與空間站本體之間的間隙；MSS是否會妨礙空間站外部系統(tǒng)或有效載荷的操作等。與此同時，飛控人員還將記錄任務(wù)機(jī)動過程持續(xù)的時間和所需的通信鏈路大小，執(zhí)行指令腳本的驗(yàn)證，以確保腳本能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)操作流程的要求。

特定任務(wù)軟件配置文件包含了定制的接口、任務(wù)約束條件等機(jī)械臂任務(wù)執(zhí)行過程中的各種優(yōu)化操作。除此之外，還需要建立轉(zhuǎn)移操作過程中的熱平衡分析，計(jì)算軌道更換單元在最低溫之前的運(yùn)行時間等。

地面任務(wù)規(guī)劃必須在操作計(jì)劃開始之前一個星期制定并完成驗(yàn)證，以便使其有足夠的時間和整個空間站計(jì)劃相融合。最后，地面飛控團(tuán)隊(duì)還需開發(fā)應(yīng)急程序，以便在ISS或者M(jìn)SS出現(xiàn)異常時能使ISS返回安全構(gòu)型，并恢復(fù)所有基本功能。

3.2 任務(wù)執(zhí)行

MSS地面遙操作團(tuán)隊(duì)由3名飛行控制人員組成（簡稱為“ ROBO” 團(tuán)隊(duì)），主飛控人員位于MCC-H的主飛控大廳，另外兩名輔崗人員可以在MCC-H或CSA。

地面控制人員首先需要激活MSS ，這個過程耗時90 min，緊接著是使用MSS和ISS視覺相機(jī)拍攝SSRMS和Dextre可能活動范圍內(nèi)的圖像并下傳到地面控制站，以驗(yàn)證規(guī)劃路徑段的ISS配置和RPS模型是否匹配，之后再執(zhí)行具體的操作。

MSS地面控制方案是一個系統(tǒng)的、高度結(jié)構(gòu)化的腳本指令序列，它要求2名飛行控制人員共同完成遙操作指令的執(zhí)行。在執(zhí)行過程中，飛控團(tuán)隊(duì)所有成員均對操作流程進(jìn)行跟蹤，以確保每一步的正確性。執(zhí)行每一步時，飛控團(tuán)隊(duì)需要對執(zhí)行的流程步驟、ISS系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，以及命令執(zhí)行過程中的通信覆蓋條件進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)。指令上行前，主飛控人員需要與另一名飛控人員達(dá)成指令上行的一致命令才能向上傳輸，同時對指令執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)視。啟動加拿大臂Ⅱ或Dextre的關(guān)節(jié)運(yùn)動需上傳“ Ready-Arm-Fire” 3個連續(xù)的指令[15,22]：“ Ready” 指令對應(yīng)加載所需的運(yùn)動學(xué)配置、“ Arm” 指令確認(rèn)期望構(gòu)型，“ Fire” 指令才最終啟動機(jī)械臂。在“ Load” 指令之前，發(fā)指令者和確認(rèn)人員都需對指令內(nèi)容和正在執(zhí)行的流程是否匹配進(jìn)行檢查。任務(wù)開始之后，ROBO團(tuán)隊(duì)使用下行視覺圖像、遙測顯示和遙測驅(qū)動RPS模型監(jiān)視機(jī)械臂軌跡和與周圍物體的距離。一旦觀察到意外，主飛控人員會立即發(fā)送一個“ Safing” 指令來中斷任務(wù)執(zhí)行。

3.3 MSS在軌調(diào)試

MSS地面遙操作在軌調(diào)試過程從易到難可分為兩個階段[18]：階段1包括簡單的單關(guān)節(jié)操作、自由空間的協(xié)同操作和沒有加載LEE的檢查操作；階段2包括SSRMS移動操作中多關(guān)節(jié)協(xié)同操作和接觸操作。

經(jīng)過ISS程序管理部門多次復(fù)核，第1階段的調(diào)試在2005年2月23日至25日期間進(jìn)行。階段1的目標(biāo)是操縱SSRMS從一個觀察俄羅斯艙段的位置移動到預(yù)抓捕MBS PDGF的位置。操作過程包括單一關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)聯(lián)合段，初始操作是腕關(guān)節(jié)滾動操作，之后擴(kuò)展到肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)。操作中SSRMS保持離空間站本體至少5英尺①英尺=0.3048 m。的距離。

第2階段的調(diào)試始于2005年6月3日，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)基于地面指令控制的PDGF抓取和釋放操作。在階段2執(zhí)行過程中，SSRMS末端效應(yīng)器和抓取裝置之間的對準(zhǔn)精度驗(yàn)證優(yōu)先于抓取操作，在精度驗(yàn)證之前還需對返回于SSRMS的視覺信號的完備性和正確性進(jìn)行檢查。階段2的成功表明ROBO飛行控制團(tuán)隊(duì)能夠?qū)崿F(xiàn)地面遙操作任務(wù)規(guī)劃以及運(yùn)動控制[23]。

4 對我國空間站機(jī)械臂遙操作啟示

地面控制人員通過遙操作平臺實(shí)現(xiàn)對MSS在軌任務(wù)的地面規(guī)劃、運(yùn)動控制，以及常規(guī)維護(hù)、故障檢測和在軌診斷等功能。在其實(shí)現(xiàn)過程中，地空通信的大時延、有限通信帶寬、通信弧段受限等問題給遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性和透明性帶來了一系列影響，MSS地面遙操作控制中心采用預(yù)編程的自主控制模式和一系列操作上的約束條件來解決上述問題，成功實(shí)現(xiàn)了預(yù)定工程任務(wù)目標(biāo)。本文在分析MSS地面遙操作的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)過程中，總結(jié)出以下幾點(diǎn)對我國未來空間站機(jī)械臂控制的啟示：

1）天地協(xié)同的控制模式?？臻g站建設(shè)過程中對大型載荷裝卸的需求較大，機(jī)械臂拖動大載荷移動過程速度較慢，通常需要占用航天員較長的時間，且空間站后期維護(hù)過程中常規(guī)例行檢查任務(wù)較多，單一采用航天員在軌控制模式導(dǎo)致其工作時間較長、精力消耗較大，因此在機(jī)械臂控制中加入地面遙操作控制模式，可以使地面飛行控制團(tuán)隊(duì)執(zhí)行常規(guī)例行檢查任務(wù)及部分工程任務(wù)，使在軌宇航員執(zhí)行更高級別的科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，以此來減輕宇航員的工作負(fù)擔(dān)。我國未來機(jī)械臂控制也應(yīng)該考慮這種天地協(xié)同的控制模式。

2）地面遙操作平臺具有優(yōu)勢?？臻g站機(jī)械臂執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力受機(jī)械臂中央處理計(jì)算機(jī)處理能力的限制，在空間站運(yùn)行周期內(nèi)中央計(jì)算機(jī)硬件部分不容易更新，相對而言地面遙操作平臺中的硬件和軟件更新比較容易，硬件更新能夠提高地面控制人員任務(wù)規(guī)劃和執(zhí)行的能力和速度，軟件更新能夠?yàn)榈孛娌僮髡咛峁?qiáng)大的仿真驗(yàn)證工具，如虛擬相機(jī)、在線路徑規(guī)劃和異常情況驗(yàn)證等。因此我國未來遙操作平臺建設(shè)過程中可以充分利用已有科技優(yōu)勢，提高地面處理的能力。

3）地面遙操作中心地位關(guān)鍵。地面遙操作中心承擔(dān)著空間站機(jī)械臂任務(wù)前的設(shè)計(jì)、規(guī)劃與驗(yàn)證，任務(wù)中的監(jiān)控與執(zhí)行，以及任務(wù)后的分析與評價。地面遙操作中心人員設(shè)置、崗位設(shè)置、組織協(xié)同關(guān)系和功能模塊劃分等對未來機(jī)械臂遙操作控制起到至關(guān)重要的作用。

4）地面遙操作仿真模型重要。在地面任務(wù)規(guī)劃過程中，如何建立一種既能準(zhǔn)確描述機(jī)械臂運(yùn)行的空間環(huán)境，又能精確描述空間機(jī)器人與環(huán)境接觸的動力學(xué)特性，同時又易于地面過程參數(shù)在線辨識的模型至關(guān)重要，模型的準(zhǔn)確性直接影響后繼軌跡驗(yàn)證的正確性，因此仿真模型的建立是未來地面任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的核心。

5）地面遙操作控制過程復(fù)雜?？臻g站機(jī)械臂控制復(fù)雜度高，地面遙操作控制對專業(yè)支持、天地協(xié)同提出了更高要求，天地大時延影響、有限的通信帶寬、通信覆蓋條件和地面控制人員臨場感不足等問題導(dǎo)致長時間復(fù)雜控制難度更大。MSS地面控制人員為解決時延問題采用監(jiān)督自主控制模式和MSS機(jī)械臂的智能程度相關(guān)，我國空間站機(jī)械臂是否能夠沿用這種模式還存在較大疑問，因此在探索的過程中既要借鑒國外機(jī)械臂控制已有研究和成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，又要結(jié)合我國現(xiàn)有飛控模式的要求，進(jìn)一步形成我國空間站機(jī)械臂遙操作的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]周建平. 我國空間站工程總體構(gòu)想[J]. 載人航天，2013，19（2）：1-5.ZHOU J P. Chinese space station project overall vision [J]. Manned Spaceflight，2013，19（2）：1-5.

[2]GRAHAM G，SAVI S，BENOIT M，et al. Canada and the international space station program：overview and status [C]// Montreal，Canada：Canadian Space Agency，54th International Astronautical Congress of the International Astronautical Federation（IAF）. Bremen，Germany：IAF，2003.

[3]PATTEN L，EVANS L，OSHINOWO L，et al. International space station robotics：a comparative study of ERA，JEMRMS and MSS [C]//Proceedings of the 7th ESA Workshop on Advanced Space Technologies for Robotics and Automation ‘ASTRA 2002’ESTEC.Noordwijk，The Netherlands：ESTEC，2002：1-8.

[4]CRUIJSSEN H J，ELLENBROEK M，HENDERSON M，et al. The European robotic arm：a high-performance mechanism finally on its way to Space [C]//Proceedings of the 42ndAerospace Mechanism Symposium. [S.l.]:NASA，2014：319.

[5]BOUMANS R，HEEMSKERK C. The European robotic arm for the international space station [J]. Robotics and Autonomous Systems，1998：23（1）：17-27.

[6]STIEBER M E，TRUDEL C P，Hunter D C. Robotic system for the international space station [C]//Proceedings of the 1997 IEEE International Conference on Robotics and Automation Albuquerque.New Mexico：IEEE，1997：3068-3073.

[7]CRUIJSSEN H J，ELLENBROEK M，HENDERSON M，et al. The European robotic arm: a high-performance mechanism finally on its way to Space [C]//Proceedings of the 42ndAerospace Mechanism Symposium. [S.l.]：NASA，2014：319.

[8]BOUMANS R，HEEMSKERK C. The European robotic arm for the international space station [J]. Robotics and Autonomous Systems，1998：23（1）：17-27.

[9]劉宏，蔣再男，劉業(yè)超. 空間機(jī)械臂技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 載人航天，2015，21（5）：435-442.LIU H，JING Z N，LIU Y C. Review of space manipular technoligy [J].Manned Spaceflight，2015，21（5）：435-442.

[10]秦文波，陳萌，張崇峰，等. 空間站大型機(jī)構(gòu)研究綜述[J]．上海航天，2010，27（4）：32-42．QIN W B，CHEN M，ZHANG C F，et al. Surveys on large-scale mechanism of space station [J]. Aerospace Shanghai，2010，27（4）：32-42.

[11]張凱鋒，周暉，溫慶平，等. 空間站機(jī)械臂研究[J]. 空間科學(xué)學(xué)報，2010，30（6）：612-619.ZHANG K F，ZHOU H，WEN Q P，et al. Review of the devrlopment of robotic manipulator for international space station [J]. Chin. J. Space Sci., 2010，30（6）：612-619.

[12]張文輝，葉曉平，季曉明，等. 國內(nèi)外空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 飛行力學(xué)，2013，31（3）：198-202.ZHANG W H，YE X P，JI X M，et al. Development summarizing of space robot technology national and outside[J]. Flight Dynamics，2013，31（3）：198-202.

[13]于登云，孫京，馬興瑞. 空間機(jī)械臂技術(shù)及發(fā)展建議[J]. 航天器工程，2007，16（4）：1-8.YU D Y，SUN J，MA X R. Suggestion on development of chinese space manipulator technology[J]. Spaceraft Engineering， 2007，16（4）：1-8.

[14]李大明，饒偉，胡成威，等. 空間站機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 載人航天，2014，20（3）：238-242．LI D M，RAO W，HU C W，et al. Key technology review of the research on the space station manipulator [J]. Manned Spaceflight，2014，20（3）：238-242.

[15]AZIZ S，LAURIE M C. Concept of operation for ground control of Canada's Mobile Servicing System(MSS) [C]//The 55st International Astronautical Congress. Vancouver，Canada：[s.n.]，2004.

[16]朱仁璋,王鴻芳,泉浩方,等.載人航天器操作器系統(tǒng)評述[J] .載人航天, 2009, 21(4) : 11-25.ZHU R Z，WANG H F，QUAN H F，et al. A Review of manipulator systems on board manned spacecraft [J]. Manned Spaceflight，2009，21（4）：11-25.

[17]COLESHILL E，OSHINOWO L，REMBALA R，et al. Dextre：improving maintenance operations on the international space station [J]. Acta Astronautica，2009，64（9）：869-874.

[18]TURCO S，PERRYMAN S. Ground control concept for on-orbit robotic maintenance operations on the international space station[C]//The Space OPS Conference. Montreal，Canada：AIAA，2004.

[19]AZIZ S，CHAPPELL L M. Concept of operation for ground control of Canada’s Mobile Servicing System(MSS) [C]//55thInternational Astronautical Congress. [S.l.]:IAC，2004：1-8.

[20]LANDZETTLE K，BRUNNER B，Schreiber G，et al. MSS ground control demo with MARCO [C]//Proceeding of the 6thInternational Symposium on Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space. [S.l.]：CSA-ASC，2001.

[21]MCGREGOR R，OSHINOWO L. Flight 6A：deployment and checkout of the Space Station Remote Manipulator System(SSRMS)[C]//Proceeding of the 6thInternational Symposium on Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space. [S.l.]:CSA-ASC，2001.

[22]CARON M，MILLS I. Planning and execution of tele-robotic maintenance operations on the ISS [R]. Canada：American Institute of Aeronautics and Astronautics，2012．

[23]FLORES-ABAD A，Ma O，Pham K，et al. A review of space robotics technologies for on-orbit servicing [J]. Progress in Aerospace Sciences，2014，68（6）：1-26.