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1、2003年12月中国空间科学技术第6期CHINESESPACESCIENCEANDTECHNOLOGY7空间科学实验机器人辅助遥操作系统丑武胜孟陈建新李晟(北京航空航天大学机器人研究所,北京100083)(北京控制工程研究所,北京100080)摘要建立了一个面向空间舱内晶体生长科学实验的地面模拟机器人遥操作系统。该系统通过基于虚拟现实的预测仿真来克服通讯时延的影响,并通过仿真图形和实际视频图像的叠加来对虚似仿真环境进行校准,以提高预测仿真的保真性。操作员利用空间鼠标等人机交互工具实时控制仿真机器人系统的运动,通过遥控与自主相结合的方式,并借助全局
2、和局部视觉信息,完成了在空间晶体生长科学实验中更换晶体炉料棒的作业任务。主题词机器人遥控操作器空间科学实验1引言[1]空间机器人在探索、开发和利用宇宙资源方面起着重要的作用。空间机器人的应用领域之一是科学实验照料,科学载荷机器人服务系统可以在可控环境中,完成科学实验操作任务。天地间大的通讯时延和有限带宽的限制,给空间机器人的稳定性遥操作控制带来了很大的困难。地面操作者在控制空间机器人时一般采用/运动-等待0的方式来保证操作的可靠性和安全性,[2]这就造成系统整体效率的降低。许多学者从不同的角度出发,针对如何克服时延影响提出了许多[3][4][5]
3、方法,这些方法大体上可以分为三类:双边控制、预测显示/控制和遥编程。双边控制主要[6]是针对主从遥操作系统中的力反馈控制问题提出的,只适合于小时延的场合;而对于空间或水下环境这些大时延的场合,双边控制方法的应用就受到很大的限制。遥编程是监控控制的一种表现方式,在操作端和远端之间传递的不是关节空间或操作空间的伺服控制指令,而是具有一定抽象程度的符号命令程序段,但是它要求远端机器人具有较高的局部自主能力,该方法存在控制不灵活,难以适应复杂多变的环境,在遇到差错、意外情况时,很难依靠自身进行误差恢复等缺点。预测显示/控制采用虚拟现实技术,在计算机屏幕上
4、生成与远端机器人相同的虚拟机器人及工作环境的3维虚拟场景,操作者根据现场的情况和操作任务要求,通过人机交互设备发送出控制指令,用这些指令操纵虚拟机器人,再将虚拟机器人的操作信息发送给远端机器人,由远端机器人实现这些操[7]作。预测显示/控制应用最为广泛,如德国的ROTEX空间机器人实验系统、美国NASA的舱内机[8][9]器人系统以及日本的工程实验卫星ETS-×上的机器人系统等。预测显示方法由于要对远端环境进行虚拟三维建模,这就要求环境是已知的,或至少是部分已知的,因此它仅适用于结构化或半结构化的环境,不能很好地处理未建模环境的动态变化。有些学者
5、试图利用视觉或触觉信息对环境进行在线重建,但目前方法还很不成熟。本文在建立面向空间舱内晶体生长科学实验的地面模拟机器人遥操作系统的基础上,不仅在OpenGL环境下设计并实现了一个虚拟预测仿真环境,而且同时将实际视频图像引入虚拟仿真环境,通过虚拟仿真图形和实际视频图像的叠加来消除地面仿真模型和空间模型的不匹配,提高仿真的保真性;在机器人接近操作对收稿日期:2003-04-10。收修改稿日期:2003-06-208中国空间科学技术2003年12月象时,实现了图像的多分辨率显示,在不增加空间硬件载荷的情况下,方便操作者进行操作。2系统结构机器人辅助空间
6、科学实验地面模拟系统由客户端(操作端)和服务器端两大部分组成,两者通过100Mbit/s高速局域网相连接,通过软件可模拟28s的通讯时延,如图1所示。客户端包括人机交互设备(手控器、键盘、空间鼠标)和一台用于预测仿真和人机交互的PC机。在服务器端,由PUMA260和两指电动夹持器组成的机器人系统被安装在可移动的导轨上。为简化系统软硬件结构,提高系统的集成度和可靠性,用一台高性能PC机完成低层对PUMA260和电动夹持器集成系统及导轨的交互控制任务和远端视频图像采集、压缩与传输任务。在服务器端通过彩色摄像头输入视频信号到DH-VRT-CG200图像
7、采集卡,然后把RGB像素格式的视频图像图1空间科学实验照料机器人遥操作系统结构读入内存,运用Intel公司开发的IntelJPEGLibrary库函数,把每帧24位BMP格式的图像压缩成JPEG格式,最后调用Winsock进行图像的传输,并在客户端进行解压缩和显示。3预测仿真子系统利用OpenGL生成了在PC机Windows操作系统下遥操作机器人及其工作环境的预测仿真图形。操作员在客户端面对机器人及其工作环境的仿真图形,借助于手控器、空间鼠标、以及键盘等人机交互设备对机器人的仿真图形进行运动控制与规划,仿真系统再将模型的数据通过通讯传给服务器,从
8、而控制遥机器人完成相应指令任务。图2为预测仿真子系统的功能结构。其中,网络接口模块的作用是建立TCP/IP网络连接;用户接口模块初始化并
