空間桁架的人-機(jī)協(xié)作裝配規(guī)劃與試驗(yàn)驗(yàn)證

陳 萌 楊美麗 張崇峰 趙常捷 朱欣悅

1(上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201109)

2(上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109)

3(上海航天技術(shù)研究院 上海 201109)

4(上海交通大學(xué) 上海 200240)

5(華中科技大學(xué) 武漢 430074)

1 引 言

空間桁架被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建空間站、太陽(yáng)能電池陣、空間天線陣、大孔徑望遠(yuǎn)鏡等重要空間設(shè)施[1]。空間桁架也是國(guó)際空間站中應(yīng)用較為成功的大型結(jié)構(gòu)[2-3]，這使得空間站規(guī)模龐大、功能復(fù)雜。到 2025 年前后，中國(guó)將建成并運(yùn)營(yíng)近地軌道空間站系統(tǒng)，具備長(zhǎng)期開展有人參與的科學(xué)技術(shù)實(shí)驗(yàn)和綜合開發(fā)利用太空資源的能力。由于桁架結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)組裝擴(kuò)展與掛載連接，其將在我國(guó)空間站任務(wù)拓展、未來空間大型設(shè)施建造中發(fā)揮重要作用。

根據(jù)裝配方式不同，可將空間桁架裝配分為航天員手動(dòng)裝配、機(jī)器人自主裝配、航天員與機(jī)器人協(xié)同裝配。在“亞特蘭蒂斯”號(hào)航天飛機(jī)上，美國(guó)宇航局進(jìn)行了由兩個(gè)航天員完成的直立空間結(jié)構(gòu)裝配概念實(shí)驗(yàn)[4]，通過該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然航天員手動(dòng)裝配自主性強(qiáng)，但不適用于裝配對(duì)象龐大且裝配時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合；Doggett[5]采用機(jī)械臂自主裝配，成功將 102 根桿件和 12 塊面板組裝成直徑 8 m 的桁架結(jié)構(gòu)，盡管機(jī)器人自主裝配具有感知精確、動(dòng)作重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，但不能有效處理突發(fā)事件；美國(guó)約翰遜航天中心將兩個(gè)機(jī)器人與航天員組成團(tuán)隊(duì)，擬執(zhí)行空間桁架單元的人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)[6]。人-機(jī)協(xié)作的桁架裝配可實(shí)現(xiàn)航天員和機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是載人航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)空間大型設(shè)施在軌構(gòu)建的有效途徑[7]。

針對(duì)空間大型結(jié)構(gòu)裝配，郭繼峰等[8-9]根據(jù)桁架結(jié)構(gòu)的固有分層特性，提出了基于連接矩陣的分層規(guī)劃方法及兩級(jí)遞階智能規(guī)劃算法。張玉良等[10]通過構(gòu)建航天器數(shù)字孿生體，抽象地表達(dá)了在軌裝配的過程、狀態(tài)和行為。李團(tuán)結(jié)等[11]將單元拼接式天線進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，制定了在軌裝配方案，并實(shí)現(xiàn)了方案的地面驗(yàn)證。胡佳興等[12]提出了面向在軌智能裝配的太空桁架結(jié)構(gòu)編碼與靶標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該研究將徑向推入式快速裝配接頭方案應(yīng)用于空間可擴(kuò)展桁架結(jié)構(gòu)的裝配，提出基于狀態(tài)矩陣和鄰接矩陣的桁架結(jié)構(gòu)裝配序列、裝配模式和裝配過程描述，為可擴(kuò)展桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建及人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)規(guī)劃奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

針對(duì)桁架裝配任務(wù)規(guī)劃，Schmidtler 等[13]從工作時(shí)間、工作空間、目標(biāo)和接觸方式等方面對(duì)人-機(jī)工作單元進(jìn)行分析。Wang 等[14]將工作空間、直接接觸、工作任務(wù)、同步過程和順序過程定義為人-機(jī)之間的共享內(nèi)容。Zanchettin 等[15]基于高階馬爾可夫鏈提出了一種預(yù)測(cè)人類活動(dòng)模式的算法，并在雙臂機(jī)器人參與的裝配實(shí)際場(chǎng)景中，驗(yàn)證了該算法的有效性。朱恩涌等[16]對(duì)空間任務(wù)人-機(jī)協(xié)同作業(yè)進(jìn)行分析，指出需要重點(diǎn)關(guān)注的 3 個(gè)問題：人-機(jī)任務(wù)分配、人-機(jī)安全控制和人-機(jī)信息交互。Cheng 等[17]將任務(wù)分配的一般工作流程分為 6 個(gè)階段：任務(wù)描述與建模、任務(wù)分配過程分析與建模、任務(wù)分配算法設(shè)計(jì)與選擇、任務(wù)分配決策、仿真和任務(wù)執(zhí)行。Tsarouchi等[18]提出在混合裝配單元中進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃的方法，并基于平均資源利用率、平均流程時(shí)間和工效學(xué)等多種指標(biāo)，對(duì)任務(wù)分配方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)。Müller 等[19]提出面向過程的人-機(jī)任務(wù)分配方法，通過對(duì)人-機(jī)技能的詳細(xì)分析和比較，獲得合理的任務(wù)分配方案。Ranz 等[20]提出基于能力的人-機(jī)任務(wù)分配方法，通過將人-機(jī)能力與給定任務(wù)的需求進(jìn)行匹配，給出最大一致性的分配決策方案。Zhu 等[21]提出了空間桁架結(jié)構(gòu)在軌裝配的人-機(jī)協(xié)作規(guī)劃策略，并實(shí)現(xiàn)了仿真驗(yàn)證。

在人-機(jī)協(xié)作裝配的驗(yàn)證試驗(yàn)中，李志奇等[22]建立了雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，在空間微重力環(huán)境下，通過將其與航天員相互配合的演示驗(yàn)證，對(duì)空間機(jī)器人及在軌人-機(jī)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)；王旭等[23]提出利用力傳感器的反饋信息，制定多工況下機(jī)械臂末端位姿調(diào)整策略，通過雙臂柔順操作，實(shí)現(xiàn)了桁架桿件的裝配試驗(yàn)驗(yàn)證。在機(jī)器人視覺標(biāo)定方面，Nishida 等[24]使用彩色標(biāo)記和圖像檢測(cè)，可獲取空間天線的面板位姿。Chen 等[25]基于相位偏移原理，提出高精度三維輪廓測(cè)量與多尺度局部幾何特征快速匹配算法，提高了目標(biāo)識(shí)別效率。

基于對(duì)上述研究現(xiàn)狀的分析，本文針對(duì)典型的空間桁架結(jié)構(gòu)——直立桁架，首先建立可徑向快裝的桁架單元新構(gòu)型；然后將桁架結(jié)構(gòu)的裝配序列、裝配模式和裝配過程用狀態(tài)矩陣和鄰接矩陣進(jìn)行描述，通過分析空間環(huán)境下的人-機(jī)能力約束，結(jié)合動(dòng)素分析法，實(shí)現(xiàn)了裝配任務(wù)的層級(jí)化分解，采用比較分配原則，制定了人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)流程及方案；最后通過地面人-機(jī)協(xié)作裝配5 m 長(zhǎng)直立桁架，對(duì)桁架構(gòu)型和裝配方案進(jìn)行了演示驗(yàn)證。

2 桁架單元基本構(gòu)型

根據(jù)拓展維度，可將空間桁架分為 3 類：(1)一維拓展可形成類梁結(jié)構(gòu)，通常用于構(gòu)建直立桁架，如大型天線、太陽(yáng)能電池陣的支撐框架；(2)二維拓展可形成類板結(jié)構(gòu)，通常用于構(gòu)建暴露平臺(tái)，如大型光學(xué)載荷、試驗(yàn)后勤平臺(tái)等基礎(chǔ)支撐框架；(3)三維拓展可形成空間填充結(jié)構(gòu)，用于構(gòu)建不同位姿和角度下的特殊艙段連接桁架。

基于趙常捷等[26]提出的大型空間桁架快速接頭創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，將桁架模塊單元的節(jié)點(diǎn)做成球節(jié)點(diǎn)，每一根桁架桿直接連在兩個(gè)球節(jié)點(diǎn)之間，球節(jié)點(diǎn)與桁架桿通過接頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速連接。其中，母接頭(又稱球接頭)預(yù)裝于球節(jié)點(diǎn)上，公接頭(又稱桿接頭)預(yù)裝于桁架桿上，用于預(yù)裝母接頭的基礎(chǔ)零件為球點(diǎn)，用于預(yù)裝公接頭的基礎(chǔ)零件為桿件。圖 1 所示的球點(diǎn)、桿件、公接頭、母接頭是可擴(kuò)展空間桁架結(jié)構(gòu)的 4 類零件級(jí)模塊單元，其中，公接頭與母接頭構(gòu)成一個(gè)接頭系統(tǒng)(圖 1(c))；球節(jié)點(diǎn)與桁架桿是可擴(kuò)展空間桁架結(jié)構(gòu)的兩類構(gòu)件級(jí)模塊單元。

圖1 構(gòu)成桁架的構(gòu)件單元與零件單元Fig. 1 Component elements and part elements of truss structure

幾個(gè)構(gòu)件單元可裝配成一個(gè)結(jié)構(gòu)靜定的平面或空間框架，若一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)框架通過特定規(guī)則重復(fù)拓展形成大型桁架結(jié)構(gòu)，則此框架稱為結(jié)構(gòu)單元(圖 2)。

圖2 形成桁架的基本結(jié)構(gòu)單元Fig. 2 The basic structure elements of truss

為滿足大型可擴(kuò)展桁架高精度、高剛度的要求，同時(shí)為了人-機(jī)協(xié)作裝配操作的便利性，選擇最直接的徑向快裝接頭，可實(shí)現(xiàn)裝配并限制連接處各運(yùn)動(dòng)方向的自由度。采用基于 PP 運(yùn)動(dòng)鏈(平動(dòng)副-平動(dòng)副)的裝配方案，將彈簧外套與滑套裝配連接、彈簧內(nèi)套與桿端擋圈裝配連接；在公接頭與碳纖維桁架桿之間采用密封膠圈，軸套與公、母接頭之間采用 1∶20 的錐度配合，該接頭系統(tǒng)具有推入式快裝、消隙和自調(diào)心能力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3～4 所示。

圖3 徑向快裝接頭結(jié)構(gòu)剖面圖Fig. 3 Structural profile of radial fast assembly joint

圖4 徑向快裝接頭及球節(jié)點(diǎn)樣機(jī)模型Fig. 4 The radial fast assembly joint and the spherical node

3 桁架裝配過程數(shù)學(xué)描述

3.1 桁架結(jié)構(gòu)的裝配序列描述

如圖 5 為 8 節(jié)點(diǎn)的立方體桁架單元示意圖，其具有 18 根桁架桿，可通過鄰接矩陣描述其裝配過程。公式(1)前 19 個(gè)鄰接矩陣代表在裝配過程中變化的狀態(tài)矩陣，其中，對(duì)角線元素由 0 變?yōu)?1 表征當(dāng)前步驟裝配了球點(diǎn)，其他非對(duì)角線元素由 0 變?yōu)?1 表征當(dāng)前步驟裝配了桁架桿，且該桁架桿所連接的球點(diǎn)序號(hào)為對(duì)應(yīng)的行、列序號(hào)。按照矩陣內(nèi)元素 1 出現(xiàn)的順序，可將公式(1)中前19 個(gè)矩陣整合成一個(gè)裝配序列矩陣，矩陣中的數(shù)字代表裝配序列中鄰接矩陣的順序號(hào)。公式(1)中 為圖 5 中立方體桁架裝配過程中的節(jié)點(diǎn)和桿件的狀態(tài)矩陣。

圖5 立方體可組裝桁架結(jié)構(gòu)Fig. 5 The cubic assembled truss structure

基于公式(1)，對(duì)于一般的可擴(kuò)展桁架結(jié)構(gòu)，其裝配序列矩陣O如公式(2)所示。其中，對(duì)角線元素為球節(jié)點(diǎn)在裝配序列中的次序，對(duì)角線元素除外的上下三角元素為兩球節(jié)點(diǎn)之間的桁架桿的裝配次序。若元素為 0 或置空，則表明該位置無桁架桿或尚未裝配桁架桿。

3.2 桁架結(jié)構(gòu)的裝配模式描述

圖6 四面體桁架結(jié)構(gòu)的裝配模式Fig. 6 Assembly mode of tetrahedral truss structure

3.3 桁架結(jié)構(gòu)的裝配過程描述

聯(lián)立公式(2)與公式(4)，得到一個(gè)可擴(kuò)展桁架結(jié)構(gòu)裝配過程中所需要的全部信息。聯(lián)立后的矩陣P如公式(6)所示，其中，對(duì)角線元素 表示球節(jié)點(diǎn)的裝配次序以及位姿信息，上下三角元素 表示桁架桿的裝配次序以及其兩端接頭分別對(duì)應(yīng)的裝配模式。公式(6)與公式(2)、公式(4)之間的關(guān)系如公式(7)所示：

基于公式(7)的矩陣描述方式，可將圖 7 中立方體桁架單元的裝配過程完整表示為公式(8)：

圖7 立方體桁架單元的裝配模式Fig.7 Assembly mode of cubic truss element

4 人-機(jī)協(xié)作的裝配任務(wù)規(guī)劃

4.1 空間直立桁架結(jié)構(gòu)的裝配模型

空間機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)精確定量感知、可在惡劣條件下完成重復(fù)操作、可達(dá)空間大，但預(yù)測(cè)能力不足；而宇航員空間視覺受限、操作易疲勞、移動(dòng)能力弱、操作精度不高，但突發(fā)情況下應(yīng)變能力強(qiáng)?？臻g機(jī)器人和宇航員的這些特點(diǎn)，決定了空間直立桁架裝配場(chǎng)景中人-機(jī)裝配的能力約束。因此，本文建立了以空間直立桁架裝配任務(wù)模型和人-機(jī)能力約束為輸入、任務(wù)分配方案為輸出的人-機(jī)裝配任務(wù)分配體系，并根據(jù)桁架單元人-機(jī)裝配任務(wù)分配流程實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配，以操作代碼表示任務(wù)分配方案。用于測(cè)試的地面直立桁架結(jié)構(gòu)樣機(jī)由 5 個(gè)立方體桁架單元一維擴(kuò)展形成，如圖 8 所示。

圖8 5 m 長(zhǎng)的直立桁架結(jié)構(gòu)樣機(jī)模型Fig. 8 Prototype of 5 m long electable truss structure

在地面裝配實(shí)驗(yàn)中，采用推送機(jī)構(gòu)輔助實(shí)現(xiàn)，5 m 桁架結(jié)構(gòu)的裝配序列如圖 9 所示，其中，兩側(cè)的正方形邊框預(yù)先固定在推送機(jī)構(gòu)上，每個(gè)立方體單元中的 4 個(gè)邊桿和 4 根對(duì)角桿由人-機(jī)協(xié)作完成裝配。

圖9 5 m 長(zhǎng)的直立桁架結(jié)構(gòu)的裝配序列Fig. 9 Assembly sequence of 5 m long electable truss structure

4.2 桁架裝配的人-機(jī)能力約束

桁架裝配操作的人-機(jī)能力約束包括：

(1)因移動(dòng)速度、駐留時(shí)間和負(fù)荷能力的限制，在進(jìn)行人-機(jī)任務(wù)分配時(shí)，應(yīng)減少分配給宇航員需要移動(dòng)的任務(wù)，即減少裝配操作中宇航員的移動(dòng)距離；

(2)宇航服及手套降低了人手部的靈活性，應(yīng)減少宇航員進(jìn)行復(fù)雜高精度裝配，對(duì)于必須宇航員進(jìn)行精細(xì)操作的任務(wù)，應(yīng)借助工具；

(3)由于空間機(jī)器人末端精確定位能力的約束，在桁架裝配中，可由宇航員進(jìn)行小范圍工作空間的定位輔助和調(diào)整。

4.3 裝配任務(wù)動(dòng)素分析

在桿件層上，桁架單元的裝配任務(wù)可視為不同單根桿的重復(fù)裝配作業(yè)，包含相同的動(dòng)素類型，桁架單元中任一根桿件的裝配流程如圖 10所示。

圖10 單根桿件裝配流程Fig. 10 The assembly process of single rod

動(dòng)素(Therbligs)指完成一項(xiàng)工作所涉及的基本動(dòng)作要素，而動(dòng)素分析是一種對(duì)動(dòng)作進(jìn)行分解、分析，用動(dòng)素符號(hào)進(jìn)行標(biāo)記后，進(jìn)一步改善的分析方法。當(dāng)桿件進(jìn)入裝配作業(yè)空間后，在作業(yè)級(jí)層面，按照順序?qū)⒀b配任務(wù)逐步分解，得到基于活動(dòng)級(jí)的裝配行為，不論是宇航員還是空間機(jī)器人，該裝配活動(dòng)都可以直接或通過單一控制指令完成。

基于前述的動(dòng)素分析法，在操作級(jí)層面上，可得到與裝配行為相對(duì)應(yīng)的動(dòng)素，如圖 11 所示。根據(jù)任務(wù)分解可知，完成單根桿件的裝配需要伸手、尋找、選擇、握取、移物、定位、裝配、放手等動(dòng)素，可通過定性分析進(jìn)一步確定各動(dòng)素的動(dòng)作屬性。

圖11 裝配任務(wù)層次化分解Fig. 11 The hierarchical decomposition of assembly tasks

4.4 人-機(jī)協(xié)同組裝任務(wù)分配流程

在實(shí)際空間裝配任務(wù)中，有必要根據(jù)特殊的空間環(huán)境，綜合考慮宇航員與機(jī)器人操作的特點(diǎn)，合理地進(jìn)行人-機(jī)任務(wù)的分配。在保證宇航員安全的前提下，彌補(bǔ)對(duì)方在不同方面操作的不足，二者互相補(bǔ)充，可充分發(fā)揮宇航員和機(jī)器人各自的優(yōu)勢(shì)，通過人-機(jī)協(xié)同操作(既有獨(dú)立操作，也有協(xié)作裝配)，可快速高效地完成空間桁架組裝任務(wù)。

對(duì)于空間環(huán)境下的人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)，采用比較分配原則進(jìn)行分配，結(jié)合裝配任務(wù)模型和空間環(huán)境對(duì)人-機(jī)能力的約束，建立基于能力的人-機(jī)任務(wù)分配流程，如圖 12 所示。

圖12 基于能力的人-機(jī)任務(wù)分配流程Fig. 12 Human-robot assignment allocation process based on capability

通過將空間環(huán)境下的人-機(jī)能力特點(diǎn)與任務(wù)進(jìn)行匹配，可將裝配任務(wù)分別標(biāo)記為 H、R、H/R 和H＋R 4 個(gè)類型：H 類任務(wù)僅分配給宇航員；R 類任務(wù)僅分配給機(jī)器人；H/R 類任務(wù)可分配給宇航員或機(jī)器人；H＋R 類任務(wù)由宇航員和機(jī)器人協(xié)同完成。其中，H＋R 類任務(wù)的優(yōu)先級(jí)為最高級(jí)。若當(dāng)前 H/R 類任務(wù)與其分步操作或前序操作存在相關(guān)性，則根據(jù)其分步操作或前序操作對(duì)此 H/R 類任務(wù)進(jìn)行下一步分配；若不存在相關(guān)性，則需要在下一步分配前計(jì)算其能力指標(biāo)值，并根據(jù)此值進(jìn)行分配。

4.5 桁架組裝的人-機(jī)任務(wù)分配方案

通過前述人為的人-機(jī)能力約束分析以及針對(duì)各能力指標(biāo)的計(jì)算分析，可得到程序化的人機(jī)任務(wù)分配方案，然后根據(jù)該方案進(jìn)行人-機(jī)協(xié)同裝配操作。按照桁架單元裝配任務(wù)模型結(jié)構(gòu)，依次對(duì)操作進(jìn)行任務(wù)分配，采用 TnPLmO的形式描述操作。其中，Tn表示任務(wù)n；PLm為計(jì)劃m；O為該操作的操作符號(hào)。任務(wù)分配結(jié)束后，完整的操作代碼的形式為 TnPLmOAllocation。利用編程進(jìn)行基于能力的桁架單元人-機(jī)裝配任務(wù)分配，具體分配方案如表 1 所示。

表1 人-機(jī)協(xié)作任務(wù)分配方案Table 1 The assignment allocation scheme of human-robot collaboration

以 E4 電氣桿裝配為例，對(duì)任務(wù)分配方案進(jìn)行說明：

(1)計(jì)劃 1：抓取預(yù)定位

①伸手：對(duì)于在程序中對(duì)象標(biāo)識(shí)為 1(ID＝1)的電氣桿 E4，將 T6PL1TE 分配為 R 類任務(wù)。

②尋找：對(duì)于對(duì)象標(biāo)識(shí) 1，將 T6PL1Sh 分配為 R 類任務(wù)。但由于標(biāo)識(shí) 1 已識(shí)別完畢，因此，不執(zhí)行抓取預(yù)定位計(jì)劃。

(2)計(jì)劃 2：選擇所需的裝配桿件

(3)計(jì)劃 3：抓取目標(biāo)桿件

①伸手：對(duì)于對(duì)象 E4，由于電氣桿的放置位置僅處于機(jī)器人的可達(dá)范圍內(nèi)，因此，將 T6PL3TE 分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為T6PL3TER。

②握?。簩?duì)于對(duì)象 E4，電氣桿的質(zhì)點(diǎn)中心處在人和機(jī)器人的有效載荷范圍內(nèi)，人與機(jī)器人都能獨(dú)立完成此操作，可先將其分配為 H/R 類任務(wù)。又由于 T6PL3TE 已分配為 R 類任務(wù)，因此，將 T6PL3G 進(jìn)一步分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為 T6PL3GR。

(4)計(jì)劃 4：裝配預(yù)定位

①移物：對(duì)于對(duì)象標(biāo)識(shí) 1，由于標(biāo)識(shí) 1 的放置位置僅處于機(jī)器人的可達(dá)范圍內(nèi)，因此將T6PL4TL 分配為 R 類任務(wù)。

②尋找：對(duì)于對(duì)象標(biāo)識(shí) 1，將 T6PL4Sh 分配為 R 類任務(wù)。但由于標(biāo)識(shí) 1 已識(shí)別完畢，因此，不執(zhí)行裝配預(yù)定位計(jì)劃。

(5)計(jì)劃 5：桿件移動(dòng)至工作區(qū)域

對(duì)于對(duì)象 E4，由于 E4 的裝配位置僅處于機(jī)器人的可達(dá)范圍內(nèi)，因此，將 T6PL5TL 分配為R 類任務(wù)，操作代碼為 T6PL5TLR。

(6)計(jì)劃 6：桿件與球節(jié)點(diǎn)的定位

對(duì)于對(duì)象 E4，由于定位難度為簡(jiǎn)單，且T6PL4Sh 已分配為 R 類任務(wù)，因此，將 T6PL6P分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為 T6PL6PR。

(7)計(jì)劃 7：桿件與球節(jié)點(diǎn)的裝配

對(duì)于對(duì)象 E4，裝配電氣桿的裝配力要求在人的有效載荷范圍內(nèi)，由人或機(jī)器人裝配均可，可先將其分配為 H/R 類任務(wù)。由于 T6PL6P 已分配為 R 類任務(wù)，因此將 T6PL7A 分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為 T6PL7AR。

(8)計(jì)劃 8：裝配完成

對(duì)于對(duì)象 E4，由于 T6PL7A 已分配為 R 類任務(wù)，因此，將 T6PL8RL 也分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為 T6PL8RLR。

(9)計(jì)劃 9：離開裝配區(qū)

由于 T6PL5TL 已分配為 R 類任務(wù)，因此，將 T6PL9TE 也分配為 R 類任務(wù)，操作代碼為T6PL9TER。

至此，桿件 E4 裝配完成。

5 人-機(jī)協(xié)作的裝配試驗(yàn)驗(yàn)證

為提高機(jī)械臂裝配桁架的靈活性與適用性，本文通過視覺相機(jī)獲取桿件的初始位姿與最終裝配位姿。針對(duì)目標(biāo)位姿檢測(cè)，本文提出基于標(biāo)識(shí)的目標(biāo)位姿檢測(cè)方法，對(duì)相機(jī)參數(shù)與手眼關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定。此外，為解決機(jī)械臂抓取桿件后移動(dòng)可能產(chǎn)生的碰撞問題，本文還對(duì)機(jī)械臂工作空間進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

利用前述人-機(jī)協(xié)同的桁架裝配任務(wù)分配方案，并借助推送機(jī)構(gòu)地面設(shè)備，進(jìn)行地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)械臂獨(dú)立操作、宇航員獨(dú)立操作、人-機(jī)協(xié)同操作(主要體現(xiàn)在人、機(jī)均同時(shí)接觸桁架桿件)。如圖 13 所示，電氣桿 3、電氣桿 4 和長(zhǎng)桿 4 均由機(jī)械臂獨(dú)立裝配完成，電氣桿 1、電氣桿 2 和長(zhǎng)桿 3 由宇航員獨(dú)立裝配完成，長(zhǎng)桿 1 和長(zhǎng)桿 2 由人-機(jī)協(xié)同裝配完成。依次類推，完成了圖 8～9 中 5 m 長(zhǎng)的空間直立桁架結(jié)構(gòu)的地面組裝試驗(yàn)，并獲得了機(jī)械臂組裝精度優(yōu)于 1 mm、宇航員組裝桁架桿件的操作力不大于 2 kg、人-機(jī)協(xié)同裝配單個(gè)桁架桿件的時(shí)間不超過 1 min 等指標(biāo)的良好結(jié)果。

圖13 5 m 長(zhǎng)的空間直立桁架結(jié)構(gòu)地面人-機(jī)協(xié)作裝配演示驗(yàn)證Fig. 13 Demonstration of human-robot collaborative assembly with 5 m long space erectable truss structure

本項(xiàng)目借鑒了 NASA 開展的宇航員在軌手動(dòng)裝配桁架結(jié)構(gòu)的研究，但本項(xiàng)目在一插式徑向裝配的接頭組件新構(gòu)型設(shè)計(jì)、桁架裝配模式的矩陣化表達(dá)、基于空間環(huán)境的人-機(jī)能力約束分析、基于動(dòng)素分析法的人-機(jī)裝配任務(wù)的層級(jí)化分解等方面具有較大創(chuàng)新，降低了在空間約束下人-機(jī)協(xié)作裝配直立桁架結(jié)構(gòu)的難度，并通過地面試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。后續(xù)將針對(duì)裝配效率問題，從裝配序列的時(shí)間分配、機(jī)械臂操作規(guī)劃、人-機(jī)操作的協(xié)調(diào)性等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)，并將此桁架結(jié)構(gòu)和任務(wù)分配方案推廣應(yīng)用于更加復(fù)雜的空間桁架結(jié)構(gòu)的在軌組裝。

6 結(jié) 語

人-機(jī)協(xié)作的空間桁架裝配，可體現(xiàn)航天員和機(jī)器人的各自優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)空間大型設(shè)施在軌構(gòu)建的有效方法。本文針對(duì)典型的空間直立桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了適用于徑向快裝的桁架單元?jiǎng)?chuàng)新模型，提出了基于狀態(tài)矩陣和鄰接矩陣的桁架結(jié)構(gòu)裝配序列、裝配模式和裝配過程的數(shù)學(xué)描述。對(duì)于空間環(huán)境下桁架裝配的人-機(jī)能力約束，采用動(dòng)素分析法實(shí)現(xiàn)了裝配任務(wù)層級(jí)化分解，并采用比較分配原則制定了人-機(jī)協(xié)作裝配任務(wù)流程及方案。此外，在地面實(shí)現(xiàn)了人-機(jī)協(xié)作裝配 5 m長(zhǎng)直立桁架結(jié)構(gòu)的全過程演示驗(yàn)證。