速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013V01．34No．61436．1444lSSN1000-6893ON11—1929／Vhttp：Hhkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．CFI速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究丁炳源1’2，黄攀峰1’2一，刘正雄1’2，常海涛1’21．西北工业大学航天学院智能机器人研究中心，陕西西安7100722．西北工业大学航天飞行动力学技术重点实验室，陕西西安710072摘要：天地间通讯存在大时延是影响空间遥操作性能的主要问题。传统虚拟夹具应

2、用于空问遥操作中，已获得一定的操作性能提升，但不具备动态的预测能力，对于克服时延带来的操作错觉等能力的提升有很大限制。本文提出一种速度型虚拟夹具作用于操作末端，利用操作末端的速度信息，实时改变虚拟夹具的形状，对操作末端在3S时延后的运动进行动态预测。利用方向包围盒(OBB)方法进行图形碰撞检测，能在3S内检测到即将到来的碰撞，按照一定规则产生相应的阻力反馈给操作者，以克服时延引起的误操作，提高遥操作性能。经过多组目标平台的近距离停靠实验，验证了该方法的有效性。关键词：空间应用；速度型虚拟夹具；碰撞检测；动态预测；遥操作中图分类号：V19文献标识码：A

3、文章编号：1000—6893(2013)06—1436—09当前，世界各航天大国均在开展深空探索活动。随着各类探索活动的不断深入，空间站、卫星等空间飞行器数量增多，空间装配、在轨维护等空间作业量将持续增大。若仅依赖航天员来完成这些空间作业，不仅花销巨大，而且安全性无法得到保障。因此，使用空间机器人来完成各类空间任务是当前趋势[1]。然而，由于空间环境的复杂性以及当前机器人技术的限制，完全依赖空问机器人去完成各项空间任务是不现实的，因此有人工智能参与的遥操作技术成为当前研究重点。空问遥操作技术所存在的主要问题是天地时延。针对有人工智能参与的遥操作，操作

4、者通过交互设备向遥操作对象发出控制命令，由于时延的存在，滞后的视觉、力觉等反馈信息无法为操作者提供实时的临场感，容易误导操作者的操作行为，进而影响遥操作任务的安全执行。采用虚拟夹具(VirtualFixture，VF)的方法，可以增强操作临场感，提高遥操作的安全性。作为一种“虚拟的”约束，虚拟夹具存在于空间遥操作对象的仿真环境中，用于产生额外虚拟的临场感信息(力觉信息、视觉信息等)，引导操作者的操作行为，减轻操作者的操作压力。虚拟夹具的概念是由斯坦福大学的Rosenberg教授首次提出，并在远程轴孔装配实验中使用一种刚性阻抗平面虚拟夹具，辅助操作者快

5、速、精确地完成任务口]。Rodolfo和Shaahram将虚拟夹具分为两种类型：引导型和禁止型，引导型虚拟夹具产生引力以引导操作对象向期望位置运动，禁止型虚拟夹具则产生阻力以防止操作对象与环境相撞∞]。Bettini等提出了一种柔性虚拟夹具，当操作者作用力小于预定的变形力时，虚拟夹具表现为刚性；当作用力大于变形力时，虚拟夹具表现为柔性，以收稿日期：2012—08-15；退修日期：2012．09—20；录用日期：2012—11—09；网络出版时间：2012．11．2711：11网络出版地址：WWWcnki，net／kcms／detail／11．1929

6、．V．201211271111，008htmI基金项目：国家自然科学基金(60805034，61005062)；航天飞行动力学重点实验室开放基金(2012afdl022)*通讯作者Tel．：029—88460366E-mail：pfhuang@nwpuedu．CFI翻硪格式iDingBY，HuangPF．LiuZx．etaljResearch017spaceteleoperationtechnologyassistedwithvelocity-basedvirtualfixtureAc·taAeronauticaetAstronauticaSinic

7、a，2013．34(6)：1436-1444T炳源．黄攀峰．刹正雄．等．速度型虚拟夹具辅助空阃遥操作技术研究．航空学报，2013，34(6)：1436—1444．丁炳源等：速度型虚拟夹具辅助空间遥操作技术研究提高虚拟夹具对未知环境的适应性[4]。Aarno等提出了一种自适应虚拟夹具，根据对操作者跟踪确定轨迹的概率进行评估，自动调整柔顺阻抗，以适应意外障碍或夹具模型不精确等情况∞3；Ren等提出了一种三维动态的虚拟夹具应用于心脏微创手术，增强三维视景的渲染，并使用力反馈设备进行了虚拟手术实验[63；Gibo等提出了使用一种移动的虚拟夹具，由当前操作末端

8、的位置决定虚拟夹具位置，用于提高人机交互的性能[7]。国内蒋再男等将虚拟夹具应用于太阳能帆板展开实验中，有效