一種面向在軌服務(wù)的空間遙操作人機(jī)交互方法

程瑞洲，黃攀峰，劉正雄，鹿振宇

(1. 西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院智能機(jī)器人研究中心，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué)航天飛行動(dòng)力學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072)

0 引 言

目前，機(jī)器人技術(shù)廣泛應(yīng)用于深海潛行、高輻射核環(huán)境、遠(yuǎn)程醫(yī)療和深空探測(cè)[1]等領(lǐng)域，替代人類(lèi)完成巡視、搬運(yùn)和組裝等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的操作任務(wù)。尤其在空間操作方面，文獻(xiàn)[2]在國(guó)內(nèi)較早地介紹了空間機(jī)器人的特點(diǎn)和發(fā)展，將空間操作分為行星表面、在軌艙外服務(wù)和空間站艙內(nèi)科學(xué)載荷機(jī)器人的操作。針對(duì)航天員無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間在艙外行走、巡視和完成相關(guān)的維修任務(wù)，利用空間機(jī)器人技術(shù)可以將航天員暴露的風(fēng)險(xiǎn)降到最低，減少太空環(huán)境對(duì)人的傷害，并且降低空間站艙外維護(hù)成本。然而，受限于空間機(jī)器人傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制策略等因素，現(xiàn)有的空間機(jī)器人還缺乏較大的智能性，無(wú)法完全自主地完成設(shè)定任務(wù)，更不能解決突發(fā)的問(wèn)題，因此，需要引入人員的操作，即人的智能性，通過(guò)“人在回路”的遙操作技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與遠(yuǎn)端環(huán)境的交互，完成既定的操作任務(wù)。王永等[3]、黃攀峰等[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外空間遙操作大時(shí)延技術(shù)進(jìn)行了綜述和分析，以空間工程實(shí)際應(yīng)用為背景，解決了天地大時(shí)延、任務(wù)規(guī)劃、預(yù)測(cè)仿真和人機(jī)交互等空間遙操作的關(guān)鍵技術(shù)。劉冬雨等[5]利用機(jī)械臂手眼相機(jī)標(biāo)定，提出一種路徑規(guī)劃策略，完成空間機(jī)械臂在軌維修實(shí)驗(yàn)。前期的研究工作表明，空間遙操作技術(shù)雖然引入人的決策后可以提高操作的智能性和靈活性，但是空間遙操作技術(shù)仍面臨諸多問(wèn)題，例如，遙操作系統(tǒng)造成的空間機(jī)器人主從端位置跟蹤不一致[6]、操作精度不高和天地回路大時(shí)延等問(wèn)題；由于操作者人手抖顫、精神心理壓力大和缺乏訓(xùn)練，導(dǎo)致操作不連續(xù)和不流暢[7]。

通常，大部分地軌衛(wèi)星的服務(wù)時(shí)間是有限的，其本身攜帶的燃料主要用在機(jī)動(dòng)變軌和姿態(tài)控制上，一旦此衛(wèi)星發(fā)生故障，本身并無(wú)自我修復(fù)的能力。如圖1所示為NASA Restore-L計(jì)劃概念圖，采用帶有雙臂空間機(jī)器人的服務(wù)平臺(tái)，抵近故障航天器，利用攜帶的機(jī)械臂完成巡視、抓捕、維修和消旋等在軌服務(wù)任務(wù)[8]。然而，目前主要有三個(gè)潛在的問(wèn)題會(huì)影響空間在軌服務(wù)性能： 1)地面主端操作者與服務(wù)平臺(tái)從端機(jī)械臂之間的通信帶寬不夠； 2)在軌環(huán)境和目標(biāo)航天器狀態(tài)難以精確獲得，給操作者的可視化數(shù)據(jù)有限； 3)天地回路的大時(shí)延造成位置跟蹤難、操作不穩(wěn)定和操作精度降低。

圖1 Restore-L計(jì)劃概念圖(左側(cè)為服務(wù)平臺(tái)，右側(cè)為故障航天器)Fig.1 Artist concept of Restore-L (Left is a servicing platform, right is a fault spacecraft)

由于天地回路大時(shí)延會(huì)嚴(yán)重影響操作的流暢性和降低遙操作系統(tǒng)的性能，早期，F(xiàn)errell提出了“運(yùn)動(dòng)-等待”的方法[9]，但是該方法具有很大的局限性。之后，利用預(yù)測(cè)顯示技術(shù)[10]，預(yù)測(cè)和顯示出從端機(jī)器人的位置，將時(shí)延后的相機(jī)畫(huà)面疊加在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之上。后來(lái)，人們提出監(jiān)督控制[11]的方法，給予機(jī)器人一定的自主能力，地面操作人員只起監(jiān)督和制止的功能，但是該方法只能應(yīng)用于簡(jiǎn)單的往復(fù)任務(wù)。文獻(xiàn)[12]提出一種基于中間模型的遙操作策略，利用從端傳感器獲取的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)相關(guān)模型，該模型可以讓操作者感受到一個(gè)沒(méi)有時(shí)延的力觸覺(jué)，同時(shí)，從端機(jī)器人僅接受位置/力的指令。此外，文獻(xiàn)[13]還提出一種共享雙臂協(xié)同遙操作的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)因子，實(shí)現(xiàn)雙人操作的的目的。

為了解決主端操作者與從端環(huán)境之間的交互問(wèn)題，Rosenberg[14]提出了虛擬夾具(Virtual fixture，VF)技術(shù)，虛擬夾具是一種計(jì)算機(jī)主端生成的幾何約束，預(yù)設(shè)一個(gè)禁止區(qū)域，對(duì)從端機(jī)器人末端進(jìn)行限制或?qū)бo主端操作者一個(gè)明顯的力反饋，輔助操作者按照既定的路線(xiàn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。虛擬夾具經(jīng)過(guò)幾何設(shè)計(jì)形成虛擬管道或安全通道，末端機(jī)構(gòu)可在其內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)操作者的動(dòng)作，可用來(lái)減輕操作人員的心理壓力、減少操作時(shí)間和降低操作誤差。張斌等[15]采用虛擬夾具的方法，對(duì)操作者的動(dòng)作進(jìn)行限制和引導(dǎo)，提高了操作準(zhǔn)確性。田志宇等[16]采用虛擬管道作為虛擬夾具技術(shù)的一種形式，輔助操作人員進(jìn)行操作，設(shè)計(jì)了一種基于路徑點(diǎn)的光滑虛擬管道生成算法，提高了操作的靈活性和效率。文獻(xiàn)[17]將虛擬夾具設(shè)計(jì)成一種安全通道，將其應(yīng)用到侵入式的手術(shù)中，通過(guò)位置和夾具形態(tài)自適應(yīng)策略，采用基于無(wú)源能量池的控制方法保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[18]針對(duì)操作者和機(jī)器人同時(shí)抓持工具進(jìn)行手術(shù)任務(wù)時(shí)，在手術(shù)器械末端設(shè)置虛擬夾具，提出了兩種虛擬力的計(jì)算方法，提高了操作的有效性，但是沒(méi)有對(duì)從端運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行具體分析。

大多數(shù)文獻(xiàn)中的虛擬夾具或安全通道在引導(dǎo)過(guò)程中，管道內(nèi)部力場(chǎng)并沒(méi)有被加以區(qū)分，即操作者所感受到的力反饋在內(nèi)部各處都一樣，虛擬管道僅起到了引導(dǎo)從機(jī)器人的末端點(diǎn)從起始位置到期望位置的作用。但在實(shí)際操作過(guò)程中，隨著任務(wù)進(jìn)行，主端的操作者需要感受到不同的力，才能更加靈活地進(jìn)行操作；此外，以往主端畫(huà)面多采用虛擬現(xiàn)實(shí)等手段將從端視景顯示出來(lái)，但都存在建模精度不足和缺少對(duì)人的反饋問(wèn)題[19]。

因此，本文針對(duì)空間機(jī)器人在軌服務(wù)任務(wù)需求，提出一種基于安全通道的分層力觸覺(jué)輔助遙操作方法，采用增強(qiáng)虛擬(Augmented virtuality)的手段將從端視頻信息顯示給主端操作者。該方法一方面采用“虛實(shí)結(jié)合”的手段，在主端將虛擬管道與實(shí)際操作環(huán)境顯示給操作者，提供視覺(jué)輔助信息；另一方面，在安全通道內(nèi)劃分不同的區(qū)域，設(shè)置不同的虛擬引導(dǎo)力和禁止力，輔助操作者將機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)至期望位置，同時(shí)保證人操作的穩(wěn)定性和流暢性，減輕人手抖動(dòng)等不安的心理壓力，滿(mǎn)足任務(wù)需求。

1 增強(qiáng)虛擬輔助遙操作系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

一個(gè)典型的增強(qiáng)虛擬輔助遙操作系統(tǒng)如圖2所示，主要包括五個(gè)部分：主端操作者、人機(jī)交互設(shè)備(如手控器、示教器、數(shù)據(jù)手套或虛擬現(xiàn)實(shí)的頭盔及手柄等)、通信鏈路、從端機(jī)器人和從端操作環(huán)境。基于增強(qiáng)虛擬的安全通道輔助遙操作系統(tǒng)整體流程為：在主端，操作者通過(guò)手控器等人機(jī)交互設(shè)備向從端機(jī)器人發(fā)送位置xm、關(guān)節(jié)角θm或力fm信息，經(jīng)過(guò)信息處理和通信鏈路的時(shí)延后，從端機(jī)器人將在位置xs、關(guān)節(jié)角θs或力fs信息的作用下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，將力等信息通過(guò)通信鏈路反饋給主端操作設(shè)備，這樣操作者就可以感受到力反饋。此外，從端的環(huán)境視頻信息通過(guò)攝像頭獲取后傳輸?shù)街鞫孙@示設(shè)備上，主端顯示設(shè)備一方面將從端畫(huà)面顯示出來(lái)，另一方面，設(shè)置的具有虛擬力反饋的安全通道也將在主端顯示設(shè)備上展示出來(lái)。

圖2 增強(qiáng)虛擬輔助遙操作系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.2 Structure chart of augmented virtuality assistance teleoperation system

1.2 機(jī)器人虛擬力控制模型

在人機(jī)交互過(guò)程中，一方面，環(huán)境會(huì)對(duì)從端機(jī)器人的末端產(chǎn)生影響，另一方面，設(shè)置的虛擬力也會(huì)對(duì)機(jī)器人末端產(chǎn)生位置和力約束。不考慮靜摩擦力的情況下，n自由度非線(xiàn)性機(jī)器人關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程為

(1)

該非線(xiàn)性機(jī)器人系統(tǒng)，具有如下結(jié)構(gòu)特性：

2)D∈Rn×n是正定有界的對(duì)角矩陣，H(q)∈Rn×n是正定且有界的矩陣；

3)g(q)∈Rn是有界的。

(2)

2 增強(qiáng)虛擬可視化設(shè)計(jì)

位于主端的增強(qiáng)虛擬可視化系統(tǒng)主要用來(lái)顯示安全通道和從端環(huán)境的視頻信息，利用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)，將兩個(gè)畫(huà)面合并顯示，達(dá)到增強(qiáng)虛擬的人機(jī)操作交互效果。此處的增強(qiáng)虛擬指的是，將軟件生成的具有虛擬力反饋的安全通道與從端的真實(shí)操作環(huán)境畫(huà)面疊加，這樣設(shè)計(jì)的目的是既可以看見(jiàn)真實(shí)的從端情況，又可以通過(guò)設(shè)置的虛擬力，輔助操作者進(jìn)行操控，減輕了操作人員的心理壓力，緩解了操作手抖動(dòng)的狀況，提高了操作的穩(wěn)定性和流暢性。

本小節(jié)以空間在軌研究背景,主要任務(wù)是操作空間機(jī)械臂末端進(jìn)入衛(wèi)星帆板折疊區(qū)域,巡視帆板內(nèi)的環(huán)境。通過(guò)文獻(xiàn)[20]中的基于虛擬力的安全通道構(gòu)型,設(shè)計(jì)一種增強(qiáng)虛擬安全通道,并與徒手操作進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證增強(qiáng)虛擬輔助遙操作系統(tǒng)的可行性和有效性。

在地面搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用CHAI 3d力觸覺(jué)渲染引擎和Falcon手控器力反饋設(shè)備，操作人員在顯示屏上可以看到一個(gè)被力渲染的實(shí)體小球，用來(lái)表示空間機(jī)器人的末端點(diǎn)(End-effector)，稱(chēng)為末端小球。在操作過(guò)程中，操作人員利用Falcon手控器發(fā)送位置指令，控制小球運(yùn)動(dòng)至期望位置，同時(shí)，該小球具有碰撞檢測(cè)算法，可將碰撞力反饋給操作者。

2.1 徒手操作

操作人員利用Falcon手控器將CHAI 3d畫(huà)面中的末端小球，徒手從左移動(dòng)到右，如圖3所示，CHAI 3d渲染場(chǎng)景為操作者提供實(shí)時(shí)操作效果的視覺(jué)反饋，畫(huà)面中的白色直線(xiàn)為參考線(xiàn)。

圖3 徒手操作實(shí)驗(yàn)圖Fig.3 Experiment system of unarmed teleoperation

如圖4所示，徒手操作在Z方向的軌跡變化，可以看出，抖動(dòng)變化比較大，操作時(shí)間較長(zhǎng)，軌跡不平滑。根據(jù)操作者的體驗(yàn)，盡管有一條白色的參考直線(xiàn)，但是僅依靠徒手將末端小球從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)，很難平穩(wěn)地移動(dòng)。根據(jù)操作者的感受，為了使操作任務(wù)快速完成，就會(huì)導(dǎo)致操作穩(wěn)定性差,為了操作穩(wěn)定度，就需要更長(zhǎng)的操作時(shí)間，需要克服心理壓力和操作抖動(dòng)，對(duì)于完成相應(yīng)的任務(wù)都是不利的。

圖4 末端小球Z方向位置變化圖(徒手)Fig.4 Z-axis position tendency chart of end-effector (unarmed)

2.2 組合體增強(qiáng)虛擬安全通道

通過(guò)對(duì)操作任務(wù)的分析，要使機(jī)械臂末端進(jìn)入帆板內(nèi)，需要設(shè)計(jì)兩種幾何構(gòu)型的組合體安全通道，錐形體和直線(xiàn)體通道組合使用。一方面，錐形體一端開(kāi)口較大，便于導(dǎo)引機(jī)械臂進(jìn)入通道；另一方面，帆板內(nèi)部空間狹小，直線(xiàn)體通道符合實(shí)際操作情況。通過(guò)組合體安全通道，可順利安全地將機(jī)械臂末端引導(dǎo)至期望位置。

根據(jù)錐型和直線(xiàn)體通道的特點(diǎn)，一般將錐型通道放置在直線(xiàn)通道之前，錐型頂點(diǎn)采用開(kāi)口設(shè)計(jì)，其半徑大小與其連接的直線(xiàn)通道的半徑相同，這樣即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)管道的拼接。

如圖5所示，從起點(diǎn)A到期望位置B點(diǎn)，通過(guò)一個(gè)錐形體和一個(gè)直線(xiàn)體的組合體安全通道進(jìn)行導(dǎo)引操作，錐形體通道的開(kāi)口較大，適合機(jī)器人末端進(jìn)入內(nèi)部，進(jìn)入通道后，隨著錐形通道半徑的減小，機(jī)器人末端受到的力約束也加強(qiáng)，之后進(jìn)入直線(xiàn)體通道內(nèi)，錐形與直線(xiàn)體通道的拼接使得整個(gè)通道完整流暢。

圖5 組合體增強(qiáng)虛擬操作視景圖Fig.5 Operation visual chart of composite unit augmented virtuality

如圖6所示為末端小球在Z方向上的位置變化，從大約3.7 s進(jìn)入組合體通道開(kāi)始，操作人員基本能控制末端點(diǎn)在通道內(nèi)順利平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)，整體抖動(dòng)變化不大，滿(mǎn)足操作要求。

圖6 末端小球Z方向位置變化圖(組合體)Fig.6 Z-axis position tendency chart of end-effector (composite unit)

圖7表示末端小球在Z方向上的碰撞力，大約在3.7 s時(shí)刻，有一個(gè)較大的碰撞力，此時(shí)末端小球即將進(jìn)入通道，與通道邊緣發(fā)生了碰撞。12～20 s，隨著末端小球進(jìn)入錐型通道的后端(小口端)，本身操作人員的控制使得末端小球與通道發(fā)生碰撞,另外末端小球在通道銜接處也會(huì)產(chǎn)生碰撞力。從整體上看，碰撞力較小，產(chǎn)生的范圍較窄，操作人員可以平穩(wěn)快速安全地在組合體通道的引導(dǎo)下到達(dá)期望的位置。

圖7 末端小球Z方向碰撞力的變化圖(組合體)Fig.7 Z-axis collision force tendency chart of end-effector (composite unit)

綜上所述，在驗(yàn)證該增強(qiáng)虛擬安全通道輔助遙操作系統(tǒng)中，通過(guò)在空間機(jī)器人末端設(shè)置的安全通道、給操作人員施加相應(yīng)的虛擬力來(lái)控制末端的運(yùn)動(dòng)。利用這種策略具有的優(yōu)點(diǎn)：1)相比較僅依靠主端虛擬模型的徒手操作，操作人員在安全通道的約束下，提高了操作穩(wěn)定性和控制精度，減少了操作時(shí)間；2)在整個(gè)遙操作回路中，增加了人的智能性，優(yōu)化了天地遠(yuǎn)程遙操作中操作人員與空間環(huán)境物理上的聯(lián)系，增強(qiáng)了操作的臨場(chǎng)感；3)可根據(jù)任務(wù)需求，將不同類(lèi)型幾何體的通道組合使用，靈活快速完成任務(wù)。

3 分層輔助遙操作

采用增強(qiáng)虛擬的安全通道可以有效地輔助操作者進(jìn)行操控，其虛擬力反饋不僅增強(qiáng)了臨場(chǎng)感，也作為一種約束，限制或引導(dǎo)從端的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)面對(duì)一個(gè)環(huán)境復(fù)雜的任務(wù)時(shí)，前述單一力反饋的安全通道局限性較大，因此，根據(jù)空間機(jī)器人末端在通道內(nèi)所處的位置，設(shè)置不同的虛擬力反饋給操作人員，可以增強(qiáng)操作者的靈活性。

針對(duì)從端機(jī)器人末端由起始點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至期望位置的操作任務(wù)，預(yù)先設(shè)定一條期望軌跡，該軌跡即為安全通道的幾何構(gòu)型，根據(jù)末端點(diǎn)所處通道內(nèi)的位置，設(shè)定相應(yīng)的的禁止區(qū)域、引導(dǎo)區(qū)域和自由運(yùn)動(dòng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)在不同區(qū)域使用不同類(lèi)型虛擬力進(jìn)行引導(dǎo)或禁止的目的。

具體算法步驟為：

1)建立從端機(jī)器人末端點(diǎn)的期望運(yùn)動(dòng)軌跡。采用三次樣條插值的方法，規(guī)劃一條期望軌跡，路徑函數(shù)如下：

Υi(l)=S0+S1(l-xi)+S2(l-xi)2+S3(l-xi)

(3)

(4)

獲得路徑函數(shù)之后，一方面，可以得到任意時(shí)刻軌跡上的路徑點(diǎn)坐標(biāo)，為之后的求取機(jī)器人末端實(shí)際位置與軌跡上的最近點(diǎn)及計(jì)算從端機(jī)器人末端與軌跡之間的距離做準(zhǔn)備；另一方面，期望軌跡也與增強(qiáng)虛擬安全通道的生成有關(guān)，路徑的軌跡決定了通道的管徑大小、長(zhǎng)度和旋轉(zhuǎn)角度。

2)計(jì)算最近點(diǎn)和最小距離。最近點(diǎn)是指，通過(guò)計(jì)算從端機(jī)器人末端實(shí)際位置與設(shè)定的期望軌跡上軌跡點(diǎn)的位置差值，求取位置差值最小的那個(gè)點(diǎn)，該點(diǎn)即為最近點(diǎn)。

最小距離是指，當(dāng)操作人員利用手控器進(jìn)行操作的時(shí)候，根據(jù)得到的最近點(diǎn)坐標(biāo)值，所控制的從端機(jī)器人末端與期望軌跡之間最近點(diǎn)的距離。

首先，根據(jù)第一步三次樣條插值法獲取的期望軌跡，可以得到該軌跡上的一系列路徑點(diǎn)P=(xp,yp,zp)，通過(guò)手控器獲取主端操作者的位置為Q=(xq,yq,zq)，計(jì)算兩點(diǎn)的距離

(5)

式中:σ表示兩點(diǎn)之間的距離，(xp,yp,zp)表示設(shè)定的期望軌跡上的點(diǎn)，(xq,yq,zq)表示機(jī)器人末端點(diǎn)的實(shí)際位置。

其次，求取最近點(diǎn)。將計(jì)算得到的每一個(gè)兩點(diǎn)之間的距離存入一個(gè)1×n的數(shù)組H中，n表示兩點(diǎn)之間距離差的個(gè)數(shù)，利用“冒泡法”求取最小值的位置nmin，該位置處的點(diǎn)即為最小點(diǎn)。

最后，求取最小距離。根據(jù)數(shù)組H中最小值的位置，得到機(jī)器人末端距離期望軌跡上的最近點(diǎn)為Pmin=(xp_min,yp_min,zp_min)，計(jì)算從端機(jī)器人末端點(diǎn)與最近的期望軌跡上的點(diǎn)的距離為

(6)

式中:σmin為最小距離值，(xp_min,yp_min,zp_min)為期望軌跡上距離從端機(jī)器人末端最近的點(diǎn)，(xq,yq,zq)表示機(jī)器人末端點(diǎn)的實(shí)際位置。

根據(jù)獲取的最近點(diǎn)，可以知道機(jī)器人末端與期望軌跡上哪個(gè)點(diǎn)最近，進(jìn)而根據(jù)機(jī)器人末端點(diǎn)所處的位置，依據(jù)下一步驟劃分的區(qū)域，設(shè)置不同大小和方向的虛擬力，將該虛擬力反饋給主端操作者，使用安全通道內(nèi)力場(chǎng)約束主端人手的運(yùn)動(dòng)。

3)區(qū)域劃分。將安全通道的內(nèi)、外進(jìn)行區(qū)域劃分，根據(jù)從端機(jī)器人末端所處的位置，劃分為禁止區(qū)域、引導(dǎo)區(qū)域和自由運(yùn)動(dòng)區(qū)域，如圖8所示。通過(guò)劃分出的不同區(qū)域，對(duì)從端機(jī)器人末端點(diǎn)施加不同大小和方向的虛擬力，將該虛擬力反饋給操作人員，輔助人的操作。

圖8 安全通道區(qū)域劃分圖Fig.8 Partition area chart of security channel

首先，劃分禁止區(qū)域。禁止區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)安全通道的外部，即從端機(jī)器人末端只能在通道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，從通道的一端運(yùn)動(dòng)至通道的另一端，不允許從通道內(nèi)部穿越通道壁進(jìn)入通道外部區(qū)域，同時(shí)，也不允許在非入口處從通道外部進(jìn)入通道內(nèi)部。因此，在該區(qū)域設(shè)置的虛擬力為斥力FFRVF，即

FFRVF=-K·

-Kσmin

(7)

式中:負(fù)號(hào)表示斥力的方向，K表示斥力系數(shù)。

其次，劃分引導(dǎo)區(qū)域。當(dāng)從端機(jī)器人末端進(jìn)入安全通道后，我們希望能夠沿著期望軌跡運(yùn)動(dòng)至期望點(diǎn)，但是操作人員會(huì)發(fā)生手抖動(dòng)等情況，導(dǎo)致末端點(diǎn)無(wú)法完全沿著期望軌跡運(yùn)動(dòng)，甚至偏離軌跡，或試圖穿越通道內(nèi)壁到通道外側(cè)的禁止區(qū)域，這是絕對(duì)不允許發(fā)生的。因此，根據(jù)前一步的最近點(diǎn)和最小距離的求取結(jié)果，設(shè)置一個(gè)非線(xiàn)性力給末端點(diǎn)，讓其越靠近期望軌跡受力越小，越靠近通道內(nèi)壁受力越大，選取的非線(xiàn)性函數(shù)表示從端機(jī)器人末端點(diǎn)與期望軌跡上插值點(diǎn)的關(guān)系，設(shè)計(jì)引導(dǎo)力FGVF為

FGVF=exp(x-d)σmin

(8)

式中:exp(x-d)表示末端點(diǎn)與軌跡最近點(diǎn)之間的非線(xiàn)性關(guān)系，x表示從端機(jī)器人末端位置，d為設(shè)定的常數(shù)。

最后，劃分自由運(yùn)動(dòng)區(qū)域。當(dāng)從端機(jī)器人末端點(diǎn)稍微偏離期望軌跡的時(shí)候，并不需要對(duì)其施加引導(dǎo)力，這樣做的目的是保證操作的流暢性和靈活性。因此，從端機(jī)器人末端點(diǎn)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)將不受引導(dǎo)力的影響。

4 仿真校驗(yàn)

為了驗(yàn)證增強(qiáng)虛擬分層輔助遙操作系統(tǒng)，搭建了一個(gè)地面演示平臺(tái)，由五部分構(gòu)成：操作者、主端控制系統(tǒng)、通信鏈路、從端控制系統(tǒng)和環(huán)境。操作者通過(guò)手控器將位置信息經(jīng)過(guò)通信鏈路傳送給從端機(jī)器人，從端機(jī)器人將環(huán)境力信息再反饋給主端操作者。主端是一個(gè)三自由度的Falcon手控器，從端是一個(gè)ABB14000雙臂工業(yè)機(jī)器人(地面演示系統(tǒng)只控制該機(jī)器人的一個(gè)臂)，如圖9所示，在從端環(huán)境上方加裝一個(gè)攝像頭，利用CHAI 3d力觸覺(jué)渲染引擎，將從端獲取的視頻畫(huà)面信息導(dǎo)入CHAI 3d中，作為增強(qiáng)虛擬通道的背景，將從端環(huán)境畫(huà)面顯示在主端可視化操作界面上。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.9 Sketch map of experiment plant

在從端,有障礙物1(三階魔方)和障礙物2(圓錐體),機(jī)器人需要從起始點(diǎn),繞過(guò)兩個(gè)障礙物到達(dá)期望位置。在主端,利用CHAI 3d軟件中cCreatePipe函數(shù),構(gòu)造一個(gè)虛擬通道,該通道由63個(gè)空心圓柱體拼接而成,每個(gè)圓柱體的外徑是0.2 cm、內(nèi)徑是0.19 cm。通過(guò)畫(huà)面疊加技術(shù),操作員既可以看到并感覺(jué)到被力/觸覺(jué)渲染的虛擬安全通道,又可以實(shí)時(shí)觀察到從端的操作狀態(tài)。畫(huà)面中的白色小球表示手控器的末端位置，整個(gè)操作過(guò)程如圖10所示。

圖10 增強(qiáng)虛擬分層輔助遙操作演示圖Fig.10 Experiment process chart of augmented virtuality layered assisted teleoperation

操作人員利用手控器，控制機(jī)器人末端機(jī)構(gòu)從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至B點(diǎn)，從操作過(guò)程可以看出，一方面，將從端攝像頭傳回的環(huán)境信息畫(huà)面，顯示在主端視景窗口中，作為操作的背景畫(huà)面信息，虛擬的安全通道與實(shí)際的從端畫(huà)面的疊加，增強(qiáng)了操作者的臨場(chǎng)感；另一方面，當(dāng)機(jī)器人末端在增強(qiáng)虛擬安全通道內(nèi)外不同區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，不同大小和方向的虛擬力通過(guò)手控器反饋給主端操作者，操作者在虛擬引導(dǎo)力的作用下，控制機(jī)器人末端快速、準(zhǔn)確和安全地抵達(dá)期望位置，提高了操作流暢度。

在CHAI 3d可視化界面中，末端小球是一個(gè)半徑0.5 cm的小球，因此，當(dāng)σmin<0.8 cm時(shí)，從端機(jī)器人末端點(diǎn)在自由運(yùn)動(dòng)區(qū)，不受虛擬力影響；當(dāng)1.1 cm<σmin<1.4 cm時(shí)，從端機(jī)器人末端點(diǎn)在引導(dǎo)區(qū)域，施加給主端操作人員的力為引導(dǎo)力FGVF；當(dāng)σmin≥2.5 cm時(shí)，從端機(jī)器人末端點(diǎn)在禁止區(qū)域，施加給主端操作人員的力為斥力FFRVF。

圖11為操作軌跡與期望軌跡之間的對(duì)比圖，虛線(xiàn)表示實(shí)際操作軌跡曲線(xiàn)，實(shí)線(xiàn)表示期望軌跡曲線(xiàn)，可以看出，代表機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的末端小球，進(jìn)入通道內(nèi)后，運(yùn)動(dòng)整體平穩(wěn)流暢，操作最大誤差出現(xiàn)在右側(cè)通道內(nèi)，選取偏離期望軌跡最遠(yuǎn)的點(diǎn)，得到最大操作誤差為0.63%，滿(mǎn)足操作精度，表明在虛擬引導(dǎo)力的作用下，既沒(méi)有與障礙物發(fā)生碰撞，也可以較快地沿期望軌跡將機(jī)器人末端操作至期望位置。

圖11 操作軌跡對(duì)比圖Fig.11 Comparison chart of operation trajectory

圖12為從端機(jī)器人末端在設(shè)定的安全通道內(nèi)受到的虛擬力(X、Y和Z方向)，可以看出，在2.3 s前，機(jī)器人末端還在通道外運(yùn)動(dòng)，操作者感受到較大的斥力；之后進(jìn)入通道，受到朝向期望軌跡方向的虛擬引導(dǎo)力，根據(jù)式(8)設(shè)置的引導(dǎo)力FGVF，當(dāng)操作者控制末端小球靠近中線(xiàn)時(shí)，操作者感受到的虛擬力為0，一方面，體現(xiàn)了操作的靈活性，另一方面，說(shuō)明操作比較平穩(wěn)，利于相關(guān)任務(wù)的完成；直至運(yùn)動(dòng)到期望位置，在14 s，末端小球從通道中出去后，與通道有碰撞，虛擬力立馬變?yōu)槌饬?，禁止通過(guò)出口處再進(jìn)入通道內(nèi)。

圖12 操作者感受到的虛擬力Fig.12 Virtual force by operator during an experiment

5 結(jié) 論

在以往的在軌服務(wù)遙操作系統(tǒng)中，依靠從端力傳感器的力反饋信息是很重要的一種交互手段，然而因?yàn)樘斓鼗芈反髸r(shí)延的存在，力反饋信息往往滯后人的操作，尤其在需要操作者快速反應(yīng)、控制機(jī)器人避障和需要安全操作環(huán)境時(shí)，從端機(jī)器人很有可能發(fā)生非期望的碰撞事故。為了提高空間在軌輔助遙操作系統(tǒng)的安全性和操作穩(wěn)定性，給主端的操作者提供虛擬力反饋，采用增強(qiáng)虛擬分層輔助導(dǎo)引技術(shù)完成既定的遙操作任務(wù)。通過(guò)組合體增強(qiáng)虛擬通道與徒手操作對(duì)比，說(shuō)明利用安全通道可以有效提高操作精度和減少操作時(shí)間。將從端機(jī)器人末端點(diǎn)在通道內(nèi)所處的區(qū)域進(jìn)行劃分，根據(jù)不同的位置給主端操作者施加不同大小和方向的虛擬力，可以更靈活地進(jìn)行操作。地面演示實(shí)驗(yàn)表明，采用增強(qiáng)虛擬安全通道提供的可視化視景和分層力觸覺(jué)輔助遙操作系統(tǒng)，可以增強(qiáng)操作者的臨場(chǎng)感，平穩(wěn)且順利地操作機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，提高了操作安全性。