“十三五”国家重点出版物出版规划项目
国之重器出版工程
制造强国建设
空间机器人系列
空间机器人遥操作系统及控制
Space Robots Teleoperation:System and Control
人民邮电出版社
北京
图书在版编目（CIP）数据
空间机器人遥操作系统及控制/梁斌，王学谦，陈章著.--北京：人民邮电出版社，2020.12
（国之重器出版工程.空间机器人系列）
ISBN 978-7-115-54761-3
Ⅰ.①空… Ⅱ.①梁…②王…③陈… Ⅲ.①空间机器人—机器人控制 Ⅳ.①TP242.4
中国版本图书馆CIP数据核字（2020）第230879号
◆著 梁斌 王学谦 陈章
责任编辑 刘盛平
责任印制 杨林杰
◆人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
邮编 100164 电子邮件 315@ptpress.com.cn
网址 https://www.ptpress.com.cn
固安县铭成印刷有限公司印刷
◆开本：720×1000 1/16
印张：14.75 2020年12月第1版
字数：273千字 2020年12月河北第1次印刷
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本书基于作者多年来承担国家自然科学基金项目和国家高技术研究发展计划（863计划）项目等取得的研究成果编写而成。本书首先回顾了空间机器人遥操作及其控制技术的研究意义和发展现状，然后阐述了空间机器人遥操作系统设计和双边遥操作系统模型及性能分析，并在此基础上对图形预测仿真及运动学参数辨识、空间机器人遥操作控制的相关理论及其方法进行了详细介绍，最后对空间机器人遥操作地面验证技术及地面实验研究进行了阐述。书中的理论方法紧密结合实际，可用于解决空间机器人在轨组装、维护等精细遥操作技术问题。
本书既可以作为高等学校航天类、自动化类等相关专业研究生的教材，也可以作为从事空间机器人遥操作技术研究及应用的科技工作者的参考书。
编辑委员会 主任：苗 圩
编辑委员会副主任：刘利华 辛国斌
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康 锐 “长江学者奖励计划”特聘教授
董景辰 工业和信息化部智能制造专家咨询委员会委员
焦宗夏 “长江学者奖励计划”特聘教授
谭春林 航天系统开发总师
随着空间探索的深入，空间机器人在未来的在轨任务中将发挥越来越重要的作用。然而，受限于传感器设备、先进的规划与控制策略、控制器计算能力等的水平，空间机器人单靠自身还无法完全自主地完成复杂的任务。因此，遥操作技术在相当长一段时间内将是空间机器人执行在轨任务的重要手段。开展空间机器人遥操作系统及其控制技术研究，符合我国航天技术未来的发展方向，对执行我国未来空间机器人在轨组装、维护等遥操作重大专项任务至关重要。
空间机器人遥操作面临的主要问题是大时延和有限带宽。时延主要会带来两个方面的问题：一方面是操作员如何获得足够的、实时的从端信息；另一方面是操作员采用怎样的方法来克服时延以有效控制从端机器人。时延会给遥操作的稳定性带来较大的困难，时延越大，遥操作稳定性越难保证。有限带宽不仅增加了信息传输的时间延迟，还会限制信息传输的容量和发送频率。受限于我国目前的航天测控体系，遥控、遥测和数据传输通道带宽较低，因此，需要对遥操作指令、遥测信息和图像数据进行优化和压缩，以满足对空间机器人的实时控制。同时，为了保证空间机器人在轨任务的顺利执行，还必须对遥操作指令进行充分的验证。针对空间机器人遥操作系统大时延带来的稳定控制问题，空间遥操作的双边控制方法已经取得了较为丰富的研究成果，其中大部分研究工作的重点集中在如何保证遥操作系统在时延下的稳定性。然而，随着空间任务需求的不断提高，复杂的遥操作任务对双边控制提出了更高的要求，目前的双边控制方法依然存在一些需要提高和改进的地方：（1）高透明性的力信息交互是空间机器人完成精细遥操作任务的一个重要保障。如何寻求稳定性、透明性和跟踪性的统一是双边控制应用到空间机器人遥操作需要解决的一个首要问题；（2）在精细遥操作中，空间机器人不可避免地会和环境或对象发生作用，简单的位置/速度跟随模式已经不能满足这种精细遥操作的需求。双边控制应同时具备自由运动状态下的位置同步性能和在约束状态下的力/位置调节能力，以及在多种不同工作模态间切换时的连续、稳定的操作能力；（3）空间机器人的作业环境往往是复杂、非结构化的，很难建立或预测环境模型，增强对环境的感知及自适应能力是提高遥操作性能的一个重要途径；（4）已有的解决时延稳定性问题的方法，大多对干扰和模型误差进行理想化处理。随着解决时延稳定性问题的方法越来越多，需要更多地考虑实际系统中非线性、系统干扰和模型误差等因素带来的影响；（5）作为一个典型的人在回路的系统，在设计控制方法时需要更多地考虑人的感知特性、操作特性等因素。
针对双边控制方法存在的问题，作者十多年来在国家自然科学基金项目和国家高技术研究发展计划（863计划）项目等的支持下，取得了一系列的研究成果。本书正是在这些研究成果的基础上，系统深入地梳理与阐述了空间机器人遥操作系统及控制的相关基本理论和方法。本书可用于指导解决空间机器人遥操作应用过程中遇到的相关难题，书中所涉及的理论与方法大多已发表在国内外重要期刊或学术会议论文集中，并申请了多项国家发明专利，部分成果已成功应用于我国航天项目上，具有较高的创新意义和使用价值。
全书共10章。第1章主要介绍了国内外空间机器人遥操作项目情况，并对空间机器人遥操作中涉及的关键技术进行了综述。第2章首先介绍了空间机器人遥操作系统面临的问题及空间机器人系统功能与组成，然后结合我国空间机器人遥操作系统的实际需求，提出了空间机器人遥操作系统设计方案。第3章介绍了双边遥操作系统模型，并分析了双边遥操作系统设计中几项重要性能指标的内在联系。第4章介绍了图形预测仿真技术中的仿真环境与模型修正问题，建立了一套图形预测仿真子系统。第5章主要针对目前力反馈控制算法中稳定性判据过于保守导致透明性降低的缺陷，提出和介绍了一种基于小增益稳定理论的时延力反馈遥操作控制方法。第6章介绍了多工作模态复杂任务的双边遥操作控制算法。首先提出和介绍了一种基于四元数的变时延任务空间无源双边控制算法。以此为基础，结合空间机器人在执行任务时各个模态的特点，进一步设计了一种基于切换控制的变增益双边遥操作方法。第7章考虑空间机器人在约束环境中工作时存在的动力学不确定情况，提出和介绍了一种时延下的自适应双边控制算法；结合预测计算力矩和鲁棒控制技术，设计了具有确定暂态性能的自适应双边控制方法。第5章~第7章为空间机器人遥操作高精度控制技术。第8章针对空间机器人在复杂约束环境或非结构化环境中进行灵活操作的需求，设计了半自主双边控制框架，并结合从端混合阻抗控制及冗余机器人的遥操作，提出和介绍了具体的控制算法。第9章主要介绍了空间机器人遥操作中的地面验证技术研究，基于运动学等效原理及硬件在环境中的遥操作地面验证思想，建立了一套空间机器人遥操作地面验证子系统，以保证遥操作的安全性和可靠性。第10章以空间机器人遥操作地面验证子系统作为操作对象进行遥操作实验研究，以验证所设计遥操作系统的功能和性能。第9章~第10章为空间机器人遥操作系统的地面试验和验证。本书的完成是集体智慧的结晶，除了作者梁斌、王学谦和陈章外，课题组的李罡、王宇帅、田宇、欧阳湘凯等对本书编写也作出了贡献，在此一并表示感谢。
由于空间机器人遥操作技术在不断发展和完善中，对其功能和性能的要求也会越来越高，很多新思想、新技术在不断涌现并被引入空间机器人遥操作的实际应用中，加之编写时间有限，书中难免有疏漏和不妥之处，敬请广大读者指正。
作者
2020年6月
所谓遥操作，从字面上的含义就是对远程对象进行的操作。因此，遥操作的概念应该包含两方面的内容：一方面，操作员和被控对象之间存在距离限制和信息交互；另一方面，被控对象按照操作员的意图执行任务。遥操作中的“操作”泛指各种动作，而“遥”的含义比较模糊，可以指操作员与机器人之间的物理距离遥远，同时也可以指操作员和被控对象运动比例的改变，如医生做手术时操作的微型机器人。遥操作的主要功能是辅助操作员在危险、非结构环境下执行并完成复杂、不确定性的任务，通常这些环境对于操作员来说是很困难或者不可能进行操作的，如遥远的行星、核设施、战场或者深海环境。目前，几乎所有的空间机器人都具备遥操作工作模式。
据统计，近年来全球平均每年发射80～130颗卫星，这其中有2～3颗卫星未能正确入轨，而正确入轨的卫星中，又有5～10颗在寿命初期（入轨后前30天）即失效，这导致了巨大的经济损失。“尼日利亚通信卫星一号”是我国第一颗整星出口的商业卫星，于2007年5月在西昌卫星发射中心升空，同年7月在轨交付尼日利亚用户，2008年11月，卫星太阳能帆板驱动机构出现故障，电能耗尽，卫星在轨失效[1]。这不仅造成了巨大的经济损失，也使我国航天在国际上的声誉受到了损害。2006年10月29日，“鑫诺二号”卫星虽然成功定轨，但由于太阳能帆板二次展开和天线展开未能完成，卫星无法正常工作，这颗耗资20亿元的卫星随即成为废星，使我国的“村村通”工程受到影响[2]。在国外，美国的哈勃空间望远镜由于最初设计时考虑了可在轨服务性，至今共成功进行了五次在轨维修，获得了大量珍贵的观测数据和图像，为人类揭开宇宙之谜做出了巨大贡献，并取得了巨大的社会效益和经济效益[3]。哈勃空间望远镜的巨大成功，证明了在轨服务技术的重要性。为了尽量挽回航天器故障带来的损失，各航天大国都在大力开展以航天器维修和生命延长为目的的在轨服务技术研究。
早在20世纪80年代，美国便开始了有人参与的空间在轨服务技术研究和实践，即宇航员通过航天飞机和空间机械臂等辅助机械设备来执行空间在轨服务任务。但在长期的研究和应用中发现，有人参与的在轨服务存在很大风险，宇航员的参与大大增加了航天器的运行成本，同时，太空行走也给宇航员的生命带来了极大的威胁。因此，传统的在轨服务局限于成本极高的在轨航天器，如国际空间站、哈勃空间望远镜等，难于普及。尤其是“挑战者”号和“哥伦比亚”号航天飞机的失事，不仅使人类的航天事业蒙受巨大损失，而且严重打击了有人在轨服务技术的发展。进入20世纪90年代后，国际社会对采用自由飞行机器人进行在轨服务达成了共识，并进行了一系列的地面研究和空间验证实验，如1993年德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR）的ROTEX 机器人、美国马里兰大学的 Ranger机器人、日本的 ETS-Ⅶ机器人、德国的ROKVISS机器人、美国的Orbital Express系统机械臂和Robonaut等。我国在空间机器人关键技术研究和地面验证方面已经进行了大量的工作，但还没有进行在轨实验。
空间机器人的出现将宇航员从危险的太空环境中解放出来，它主要通过遥操作方式或者自主方式进行在轨服务。这两种操作方式也是目前空间机器人操作的两种发展方向，部分学者根据自主方式取得的成就认为目前空间活动不再需要遥操作技术，采用自主方式就可以完成所有的任务。然而自主方式所取得的成就主要集中在比较简单的任务，对于适应性要求很高的空间任务还不能胜任，尤其对突发、不可预测的机械故障的维修，还必须依赖遥操作技术。
1．国外典型的空间机器人遥操作项目
为了减少宇航员空间活动的高风险性，节省时间和成本，人们对从地面进行遥操作的空间机器人在轨服务开展了大量的技术研究和实验验证。到目前为止，共进行了五个里程碑式的空间机器人遥操作项目：第一里程碑是基于加拿大臂的遥操作，加拿大臂包括航天飞机遥控机械臂系统（Shuttle Remote Manipulator System,SRMS）和空间站遥控机械臂系统（Space Station Remote Manipulator System,SSRMS）。其中，SRMS是第一个可遥操作的空间机器人系统；第二个里程碑是基于德国 ROTEX机器人的遥操作，ROTEX机器人是第一个可从地面进行遥操作的空间机器人，属于舱内机器人；第三个里程碑是基于日本ETS-Ⅶ机器人的遥操作，ETS-Ⅶ机器人是第一个舱外自由飞行空间机器人，具有地面遥操作和在轨自主控制的能力，完成了漂浮物体抓取、轨道可替换单元（Orbital Replacement Unit,ORU）更换、视觉监测、目标星操作与捕获等实验，为空间在轨服务积累了宝贵的经验；第四个里程碑是基于德国 ROKVISS 机器人的遥操作，ROKVISS 机器人是第一个采用高逼真遥现方式控制的高性能轻型机器人；第五个里程碑是基于美国 Orbital Express系统机械臂的遥操作，它采用高度自主的方式进行了目标捕获和燃料加注等实验。
（1）基于加拿大臂的遥操作
SRMS（见图1-1）由加拿大MD Robotics公司设计制造，1981年11月在航天飞机“STS-2”任务中首次使用，可释放回收卫星、辅助宇航员进行舱外活动（Extra Vehicular Activity,EVA）。
SRMS 是第一个可遥操作的空间机器人系统，一般由两名宇航员进行操作：一名宇航员坐在航天飞机飞行甲板后部的控制室内操纵机械臂，另一名宇航员通过控制摄像机进行协助。SRMS 最为著名的应用是执行对哈勃空间望远镜的维修任务，到目前为止共进行了五次在轨维修。第一次维修发生在1993年12月，由“奋进号”航天飞机的“STS-61”任务完成，通过对光学系统的校正使得哈勃空间望远镜重见“光明”。2009年5月，七名宇航员乘坐“亚特兰蒂斯”号航天飞机通过五次太空行走对哈勃空间望远镜进行了最后一次维护。
SSRMS是 SRMS的第二代产品，与 SRMS相比具有更高的运动精度并能进行力矩测量。SSRMS 和专用灵巧机械手（Special Purpose Dexterous Manipulator,SPDM）、活动基座系统（Mobile Remote Servicer Base System, MBS）共同组成了移动服务系统（Mobile Servicing System,MSS）（见图1-2），在组装和维修空间站中发挥着重要作用。其中，SSRMS 和 MBS 在2001年4月安装到国际空间站（任务代号为“STS-100”）。SPDM 又称为Dextre机器人，于2008年3月11日进行了安装和测试（任务代号为“STS-123”）。SPDM 可以附着在 MBS 上，对 SSRMS 捕获的物体进行操作，也可以附着在SSRMS末端，对目标进行操作。MSS主要是通过宇航员在空间站内实现操作，宇航员的工作量比较大。为此，相关专家对MSS的地面遥操作技术进行了研究和验证，这样MSS通过地面控制就可以执行一些简单的任务[4-6]。
由于“哥伦比亚”号航天飞机失事，NASA在2004年年末启动了哈勃空间望远镜机器人服务和脱轨项目（Hubble Robotic Servicing and De-orbit Mission, HRSDM）[7]，如图1-3所示。然而，哈勃空间望远镜最初设计时只考虑了用宇航员进行维护，而没有考虑用机器人进行在轨服务。其间，共有25家研究机构对机器人在轨服务项目进行了分析论证，最终NASA选择了加拿大的Dextre机器人作为最优解决方案。加拿大的 MDA 公司设计和建造了哈勃空间望远镜机器人飞行器的机器人服务单元，包括抓持臂以及安装在抓持臂上的灵巧机器人。抓持臂基于航天飞机机械臂进行设计，灵巧机器人基于空间站的SPDM进行设计[8]。MDA公司完成了自主捕获自由飞行的哈勃空间望远镜的抓持机构以及目标识别和定位估计系统的工程模型的验证[9]，并采用主从和监督自主两种遥操作方式进行操作。马里兰大学的Ranger机器人最初就是为了维修哈勃空间望远镜而设计的，并进行了大量的研究和验证实验[10]。在NASA的支持下，马里兰大学对Ranger机器人灵巧服务系统进行了改进，并用于对哈勃空间望远镜进行维修[11]。2005年3月，基于机器人维修的风险以及重新恢复起来的对航天飞机的信心，NASA 取消了机器人维修任务，然而相关机构仍然对空间机器人遥操作在轨服务开展了大量研究和地面验证，为未来的机器人在轨服务做好了准备。
（2）基于德国ROTEX机器人的遥操作
1993年，ROTEX 机器人在“哥伦比亚号”航天飞机上成功地进行了空间飞行演示（任务代号为“STS-55”），它是世界上第一个具有地面遥操作能力和空间站宇航员操作能力的空间机器人系统[12]，如图1-4所示。
ROTEX 机器人演示了空间服务能力，完成了三类基本任务：桁架结构装配实验；ORU操作实验；飘浮物体捕获实验。它具备三种遥操作模式：地面预编程模式、图形预测模式和基于传感器的遥编程模式[13-14]。
（3）基于日本ETS-Ⅶ机器人的遥操作
日本的 ETS-Ⅶ于1997年11月28日成功发射，其上搭载的机器人是第一个舱外自由飞行机器人，研究人员对其首次进行了无人情况下的自主轨道交会与对接（RVD）和舱外空间机器人遥操作实验[15-17]，如图1-5所示。ETS-Ⅶ机器人包括遥编程和遥操纵两种遥操作模式，由于受带宽和大时延的限制， ETS-Ⅶ机器人采用了基于图形预测[15]、虚拟通道、虚拟墙、超级摄像机和双边力反馈[16,18]的方式来补偿时延，所做的遥操作实验均取得了成功。
此外，借助ETS-Ⅶ机器人，德国还实验了其采用虚拟现实的大时延遥操作系统GETEX，如图1-6所示。该系统采用基于模型的双边控制方法，以ETS-Ⅶ机器人为控制对象完成了遥操作曲面跟踪、插孔等实验。实验证明：由手控器传来的从端机器人虚拟力对操作人员的操作非常有帮助[19]。
（4）基于德国ROKVISS机器人的遥操作
2005年，ROKVISS 机器人成功安装到国际空间站上并开展了飞行实验，主要目的是验证其开发的高度集成、轻型机器人关节元件和多种空间机器人遥操作控制模式，为未来用于空间服务的机器人设计和操作积累经验[20-21]，如图1-7所示。ROKVISS机器人采用了三种遥操作模式：遥现模式、遥机器人模式和自主模式 [22]。ROKVISS机器人的最大特点是利用力反射遥操作模式（即遥现模式）来完成连续操作[23]，操作通过力反馈控制设备来控制从端机器人，同步获得力反馈和视觉反馈。在以往的空间机器人遥操作中闭环回路的时间延迟为4～7 s，无法进行直接的力反馈操作。为了使回路时延尽量减小，遥现模式采用了S波段通信系统，并使用单独的对地天线。其通信链路上行码速率为256 KB/s，下行码速率为4 MB/s，其中包括3.5 MB/s 的图像数据，同时对符合国际空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS）标准的通信协议进行了裁剪，可以保证闭环时延小于20 ms，时延抖动优于1 ms。由于采用德国地面站与 ROKVISS机器人直接连接使得每次连续的操作时间为5～7 min，当采用中继卫星时增加了时延，但回路时延不会超过500 ms。
（5）基于美国Orbital Express系统机械臂的遥操作
2007年3月8日，美国Orbital Express系统在卡纳维拉尔角通过“宇宙神-5”火箭发射升空，验证了卫星与卫星之间进行自动化在轨补充燃料、重新构型（更换部件）、修理等一系列能力，如图1-8所示。
Orbital Express 系统由两个部分组成：较大的部分是服务卫星——“太空自动化运输机器人”（ASTRO），较小的部分是目标卫星——“未来星”（NextSat）。ASTRO 是自主能力比较高的空间机器人[24-26]。为实现其演示目标，Orbital Express系统通过中继卫星与相关地面测控网的配合，为遥操作功能的实现提供了全轨道、全航时及全透明的信道链路，从而保证系统在地面专家的直接参与和决策下有效地完成任务。Orbital Express 系统地面部分与通信接口如图1-9所示。
2．国外其他重要的空间机器人遥操作项目
除了上述典型的空间机器人遥操作系统外，国外还进行了多个空间机器人遥操作项目的研究和在轨验证[27]。1993年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration,NASA）针对空间作业任务研制了具有初步临场感效果的飞行遥操作机器人服务车（Flight Telerobotic Servicer,FTS），它是美国最早的空间机器人项目，主要目的是设计能够在空间站执行装配、维修、服务、视觉监测等任务的空间遥操作机器人设备[28]。Ranger是由NASA资助，马里兰大学负责研制的灵巧空间机器人系统，主要是为了满足哈勃空间望远镜的空间服务需要，并通过水浮系统对操作进行了地面验证[11,29]。自主舱外机器人摄像机（Autonomous Extravehicular Robotic Camera,AERCam）是由NASA约翰逊宇航中心（Johnson Space Center,JSC）开发的自由飞行相机，用于对宇航员舱外活动、航天飞机或空间站外部进行遥感监测[30]。从2000年开始，JSC 又开发了体积更小、性能更高的 Miniature AERCam[31]。Robonaut 是NASA正在开发的空间类人机器人。Robonaut项目的核心是设计、建造和控制灵巧上肢，能够使用现成的舱外活动工具，在常规的工作点进行工作。Robonaut能够在遥操作模式和有限自主模式下执行日常的维修服务，大大减少了宇航员舱外活动的负荷[32-33]。
德国的实验服务卫星（Experimental Servicing Satellite,ESS）是针对地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit,GEO）通信卫星服务的，这颗卫星有一个远地点发动机，可将其圆锥形的喷管作为捕获的目标。ESS将服务的对象选为德国电视直播卫星TVSAT-1，利用遥操作模式对目标卫星执行了监测、接近、捕获、对接、维修、释放任务[34]，并利用地面机器人完成了地面仿真和验证[35]。空间系统演示验证技术卫星（TEChnology SAtellites for demonstration and verification of space System,TECSAS）是德国的一个在研的空间机器人项目（与俄罗斯、加拿大合作），其目的在于对先进的空间维修和服务系统中的关键技术（包括硬件和软件），如交会对接技术和基于机器人的捕获技术进行验证。其基座采用俄罗斯的多目的轨道推进平台，对于对接和捕获操作，则采用 DLR自己的机械臂、控制器以及基于机器人控制模块化结构（Modular Architecture for Robot Control,MARCO）的地面控制环境。加拿大提供可服务的目标星，并验证了其自主操作的多项技术[36]。该项目于2006年9月停止，并在此基础上修改为德国轨道服务任务（DEutsche Orbitale Servicing, DEOS）项目。
日本的机械臂飞行验证（Manipulator Flight Demonstration,MFD）项目是日本的第一个空间机器人飞行实验项目，于1996年在航天飞机上进行了演示。实验主要包括三部分：评估微重力环境下机械臂的功能和性能；评估机器人控制系统的人机接口性能；演示地面遥操作实验[31]。同时，日本还为国际空间站建造了日本实验舱遥控机械臂系统（Japan Experiment Module Remote Manipulator System,JEMRMS），该系统由两个机械臂（主臂和小灵巧臂串联）和控制站组成，主要由宇航员操纵手控器来完成实验任务[37]。
3．国内遥操作技术研究现状
我国在空间遥科学或空间遥操作技术方面的研究起步较晚，结合几十年来我国航天技术的发展基础，特别是在国家高技术研究发展计划（863计划）的指导下，于1993年设立了航天领域遥科学及空间机器人技术专家组，集中力量，突出重点，有步骤、分阶段地开展了空间遥科学/遥操作与空间机器人等关键技术的跟踪、攻关和综合集成，并取得了一批重要成果。
（1）空间机器人地面模拟系统
空间机器人地面模拟系统是我国国家高技术研究发展计划（863计划）航天领域“九五”“十五”期间取得的一项重要技术成果，如图1-10所示。该系统以国家高技术航天领域空间机器人工程研究中心为主研制，通过主动式吊丝配重的伺服处理，在地面上消除了机器人各关节95%以上的重力负载，可有效模拟微重力条件下空间机器人任务规划、工件维护等技术操作，为开展空间机器人相关技术的研究与验证提供了有力条件。
（2）遥科学地面演示与验证系统
遥科学地面演示与验证系统由中国科学院力学研究所（简称“中科院力学所”）研制，是我国国家高技术研究发展计划（863计划）航天领域“九五”“十五”期间取得的另一项重要技术成果，如图1-11所示。该系统在遥科学系统总体建模技术、天地信道大容量数据实时压缩与恢复技术、CCSDS协议实时编码/解码技术、遥科学交互信息的综合分发与协调调度技术、飞行载荷遥科学接口嵌入技术、遥科学实验进程的“全景”式实时记录与事后分析技术、遥科学系统总体集成技术等遥科学关键技术上取得了突破[38]。
同时，国内其他单位也开展了大量的遥操作技术研究工作。冯健翔等人对遥科学的概念及应用进行了研究[39]；中科院力学所对大时延空间遥操作中的模型修正等关键技术进行了研究[40]；华南理工大学对空间机器人遥操作和图形预测仿真系统进行了研究[41-42]；清华大学针对空间机器人中的大时延问题建立了遥操作仿真系统[43]；哈尔滨工业大学开发了空间机器人共享系统和图形预测仿真技术[44]；国防科技大学开发了基于 VR 技术的监控式大时延机器人系统并对力反馈双边控制技术进行了深入研究[45]；北京航空航天大学研究了基于Internet的遥操作系统和增强现实技术[46]；东南大学开发了力觉临场感遥操作系统[47]等。
从目前国内来看，对遥操作系统的研究主要是集中在基于互联网的遥操作技术方面，并取得了遥操作关键技术的突破。但针对空间机器人的遥操作系统研究比较少，并且基本处于理论研究、建立实验系统阶段，与国外先进水平还有一定的差距。
时延是空间机器人遥操作中面临的一个主要问题，它给遥操作的稳定性带来了很大的困难。国内外学者对遥操作中的时延问题进行了大量研究，对如何克服时延的影响提出了许多解决方法[48-49]。1965年，Ferrel在视觉反馈存在时延的情况下利用单边控制进行了第一个实验，采用了“运动-等待”策略来克服系统的不稳定性[50]。但是这种方式是以降低系统的工作效率为代价的，大部分时间花在等待上，而不是工作上。根据反馈控制环位置与通信类型的不同，目前针对时延问题的遥操作主要包括三种控制方法[51-52]：力反馈双边控制[53-54]、图形预测控制和监督控制[55]，如图1-12所示。
（1）力反馈双边控制
在力反馈双边控制中，主端（Master）和从端（Slave）都在一个控制回路中，两者之间直接相互作用。对主端来说，它一方面把从端反馈回的力信息作用于操作员，使其产生临场感；另一方面，它在操作员的控制下运动，向从端空间机器人发送运动指令，控制其运动。对于从端空间机器人来说，它在跟随主端设备的指令运动的同时将自己与环境的作用力反馈回主端设备，反作用于操作员，使其产生临场感。
1989年，Raju 等人首先利用二端口网络理论来分析力反馈遥控机器人系统，并指出导致系统不稳定的原因在于时延造成了通信环节的有源性[56]。同年， Anderson和Spong利用基于无源性的散射理论，通过在传输通路两端匹配端子来提供消耗能量的元件，从而保证了系统的稳定性[57]。1991 年，Niemeyer 和Slotine基于无源性理论，从能量传递的角度出发，提出了波变量的概念，可以在任意的定常时延下保证系统的稳定性，但变时延情况下跟踪性能变差，甚至不能保证系统的稳定性[58]。Kosuge等人提出了“虚拟时延”概念，将变化时延的最大值作为定常时延，克服了波变量的限制条件，但是由于引入了额外时延又使控制性能降低[59]。Hou 等人提出了一种新的基于无源性的控制方法，其中无源性处于被监测的状态，当无源性丢失时需进行恢复[60]。此外，还有学者从 H∞[61]、滑模控制[62]等现代控制理论方向进行了研究[63]。双边控制策略在小时延（一般指小于1 s的时延）的情况有较好的控制效果，而在大时延（时延一般大于1 s）的情况下，要实现保证系统稳定性又具有良好的可操作性则显得无能为力。因此，很多学者将注意力转移到排除时延的方向，即图形预测控制和监督控制。
（2）图形预测控制
图形预测控制的基本思想是通过图形仿真和图像处理技术，建立遥操作的系统模型和仿真平台，根据当前的状态和控制输入，对系统状态进行预测，并以图形的方式显示给操作员。对于时延较小的遥操作系统，可以根据系统当前状态和时间导数，通过泰勒展开式进行外推实现预测；对于大时延系统，必须建立系统运行的仿真模型，在模型中融合系统的当前状态、导数以及控制输入进行预演，其关键是要建立遥操作对象及其环境的精确数学模型。
1984年，Noyes和Sheridan设计了第一个用于遥操作的图像预测显示系统，由计算机根据操作员发出的指令模拟生成从端机器人当前时刻的图像[64]。1989年，Buzan和 Sheridan提出了基于模型的预测方法来解决大时延问题，通过建立机器人和环境的动力学来同时实现位置反馈和力反馈[65]。1990年， Bejczy 等人基于从端机器人图形再现的思想提出了“幻影机器人”，分别采用线框和实体两种模型来表示虚拟预测机器人和真实机器人，通过相机标定技术，将虚拟机器人模型叠加在从端传回的时延图像上[66]。Conway 等人提出了遥操作时延控制中的同步问题，认为将基于时间、位置的预测显示控制与实际动作异步，可以加速对复杂任务的控制，从而节省时间，在容易完成的阶段去掉同步，在复杂阶段进行同步控制[67]。1993年，美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory,JPL）的 Kim等人采用高逼真度图形预测显示技术与2500km外的美国Godard太空飞行中心提供的具有共享柔顺的遥操作机械手在大时延的情况下，完成了 ORU 的更换任务[68-69]。该项目中，通过图形仿真在近地点实现了预测显示接口，并通过虚拟预测图形和从端视频图像的叠加技术进行了相机标定和目标定位，便于操作员安全、高效地完成遥操作任务。后来操作员通过基于直线的方式同时进行了相机标定和目标定位，大大提高了图像叠加的精度[70]。1994年，DLR 的 ROTEX 机器人采用直接的图形显示，虚拟环境呈现了从端场景的全部信息，并将模型与传感器检测的远端环境之间的差异反馈给操作员，从而修正虚拟模型。这种方式的优点是可以从适合任务的任何角度来观察场景[12]。1993年，Rossmann建立了第一个基于虚拟现实的人机接口来控制 ROTEX机器人，提出了投射式虚拟现实的概念[71]，其实质是将操作员在虚拟现实环境中执行的虚拟任务，通过机器人或者其他自动化设备在实际环境中执行。1999年，投射式虚拟现实又成功地应用于 GETEX项目中，对 ETS-Ⅶ机器人进行了控制。项目从地面控制站遥操作空间自由漂浮的机器人完成了插孔实验，使系统具备实时碰撞检测功能[72-74]。
鉴于视觉预测显示的有效性，同时为了有效地解决系统中的时延问题以及为了使操作员能够感知虚拟机械手与虚拟环境接触的力信息而使其任务能够被高效、准确地完成，则需要在原有的视觉预测显示的基础上增加力反馈信息。1992年，Kototu 基于 Bejczy 的思想，提出将工作环境和机器人作为整体来建立虚拟模型，给从端虚拟机器人加入了虚拟力反馈，并在0.5 s的时延下进行了实验[75]。这个虚拟力是估计虚拟机器人与虚拟环境的交互作用力，物体的几何模型是基于多面体表示的，虚拟力反馈是基于多面体刺穿深度的，但是研究没有考虑建模误差造成的影响。1993年，Rosenberg 采用“虚拟夹具”来处理带时延力反馈的遥操作机器人控制，并用一个螺钉插入实例来验证这种方法的优势。然而这种方法更注重为操作员提供视觉和力觉线索，辅助操作员更好地完成任务，而较少考虑提供真实的力反馈[76]。1996年，Morikawa 等人通过建立“虚拟引导”模型引入了预测力反馈来引导从端机器人快速、安全地运动到期望位置[77]。1999年，Burdea 总结了虚拟现实在时延处理和力反馈中的应用，指出该方法的两个缺点：从端机械臂、从端环境和任务模型过于简单；不适用于未建模的环境，所以虚拟现实技术控制方法单独使用时通用性不强[78]。2000年，Penin 等人采用虚拟力势场的方法在手控器上产生力反馈，根据模型的静态和运动学特性、力反馈机械臂末端的位置、当前操作模式及束缚和接触数据库等产生虚拟力反馈，引导操作员进行遥操作[79]。东南大学的陈俊杰等人分析了“面-顶点”和“边-边”两种接触模式下的虚拟力检测算法，虚拟仿真机器人不但考虑刚度，而且考虑了惯性和阻尼[80]。
基于图形预测的控制技术在理想情况下，虚拟环境和真实环境没有任何差异，操作员在虚拟环境下的任何操作都可以在真实环境中得到复现。但是，在实际系统中这种理想情况是不存在的。解决这个问题目前主要有两个方向：一是通过标定技术对模型进行修正[81]；二是采用对模型误差具有鲁棒性的控制方法。1996年，Tsumaki等人提出了对几何建模误差具有鲁棒性的控制方法[82]，在此基础上，1997年又提出了对动力学建模误差具有鲁棒性的控制方案[83]。2004年，他们又提出了基于力-运动混合的控制策略即基于模型的控制，并在ETS-Ⅶ机器人上完成了表面跟踪和插孔任务[15]。
（3）监督控制
为了解决遥操作中人机合作和交互问题，有学者提出了局部自主和操作员监控相结合的监督控制，经实验取得了较好的操作效果，并成为遥操作系统经典的控制方法之一[55]。在监督控制方式下，遥操作指令发送到远端空间机器人后，空间机器人在自己的闭环回路内执行控制任务，而该回路通常不存在时延，因此不会导致系统不稳定。监督控制方式将主端控制回路和从端控制回路分开，从而解决了大时延和通信环节的低带宽带来的问题。但是监督控制是从一个比较高的层次上进行控制，对远端的机器人的智能程度要求较高，受限于目前人工智能等技术的限制，其全局自主能力不足，并且远端对于环境的变化缺乏足够的感知和应变能力，因而灵活性差，在遇到差错和意外情况时很难依靠自身进行故障恢复。因此，目前的监督控制还处于比较低的级别，需要操作员较多的参与，利用人的感知、判断和决策能力来增强系统的适应能力。
遥编程控制方式是监督控制方式的一种，最初由 Funda 和 Richard 提出，用来解决遥操作过程中大时延对系统的影响[84-86]。其主要思想是将操作员的运动生成相应的符号指令传送到从端，从端执行机构将收到的指令分解成可执行的控制信息并自主地执行，同时向主端发回任务执行信息。当发生错误或遇到意外情况时，从端执行机构执行本地策略修正错误，或者等待操作员新的执行指令。由于在主端和从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指令，故它要求从端机器人具有较高的局部自主能力[87]。
在设计空间机器人遥操作控制系统的时候，必须考虑空间机器人自身的特点。同地面机器人相比，空间机器人最显著的特点就是没有固定的本体（基座），因此，当机械臂运动时本体由于动力学的耦合也将随之运动。此外，空间机器人在操作任务的过程中有许多不确定性。例如，负载的质量及惯量无法精确获知，系统所受的外部力和力矩（如重力梯度、太阳光光压等）也难以精确得到。因此，空间机器人的运动学和动力学与地面固定基座的机器人有显著不同，其规划和控制问题也更为复杂。空间机器人根据基座的控制策略分为四种模式[88]：基座位姿固定模式、基座位姿机动模式、基座姿态受控模式和自由漂浮模式。其中，基座位姿固定模式和基座位姿机动模式均采用基座上的喷气或动量轮来补偿空间机械手运动对基座位姿的干扰，但喷气会消耗十分珍贵的燃料。基座姿态受控模式仅控制基座的姿态而不控制基座的位置，可以节省燃料。在自由漂浮模式中，空间机器人基座的位置和姿态均不受控，因此不需要消耗燃料，从而延长了系统的工作时间并能使机械臂末端运动平缓[89]。
空间机器人在关节空间中的路径规划与地面机器人是相同的，规划技术非常成熟，然而空间机器人在笛卡儿空间中的路径规划比地面机器人复杂得多，国内外很多学者对空间机器人的路径规划技术进行了研究。Vafa等人提出了虚拟机械臂的方法，并把该方法用于空间机器人的路径规划[90-91]。Nakamura 和Mukherjee 讨论了空间机器人的非完整冗余特性，利用李雅普诺夫函数规划路径，并考虑了系统的非线性，但没能证明系统的稳定性[92-93]。Dubowskys 和Torres 采用增强扰动图技术规划空间机械臂的运动，使机械臂对基座姿态的扰动最小[94]。Yoshida 和 Hashizume 等人提出了基于反作用零空间的零反作用机动，并在ETS-Ⅶ机器人上进行了实验[95]。Papadopoulos等人提出了利用多项式函数参数化的方法，仅通过控制机械臂的运动就使基座姿态和机械臂末端位姿同时达到期望状态[96]。徐文福等人对空间机器人连续路径规划、避奇异规划和目标捕获的自主规划进行了细致的研究[97-98]。一些优化算法应用于空间机器人的路径规划，如遗传[99-100]和粒子群优化（Particle Swarm Optimization,PSO）算法[101-104]等。
空间机器人的操作要求高可靠性，计算机仿真过程中近似处理以及没有考虑到的因素都可能造成空间机器人操作任务的失败，甚至会损害机器人，因此在遥操作任务执行前必须对遥操作指令进行地面验证。目前为止，应用于空间机器人遥操作地面验证的方法主要包括悬吊方式、气浮方式、水浮方式和运动学等效方式。针对 ETS-Ⅶ机器人，日本开发了专门的地面遥操作验证系统，可进行运动、时延通信和光照条件的模拟[105]。德国 DLR为 ETS-Ⅶ机器人开发了在线模拟器，能够模拟远程的机器人各种指令、环境、各种控制模式、时序和环境交互，并且能预测机器人手臂运动时卫星的姿态[106]。同时，DLR还设计实验设备对采用遥现方式进行在轨服务的可行性进行了地面验证，并开发了多种评估方法[107]。国内的哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、东南大学等高校的学者[108-110]也对空间机器人的地面验证实验进行了研究。
1．悬吊方式
吊丝配重实验系统采用悬吊方式，通过滑轮组配重物的质量来补偿机器人的重力影响。该系统具有费用低、易维护等特点，但补偿重力不完全。美国卡内基梅隆大学研制的SM2空间机器人地面实验系统[111]（见图1-13），以及我国航天科技集团有限公司第五研究院502所研制的舱外自由移动机器人系统[112] （Extravehicular Mobile Robot,EMR）都属于吊丝配重实验系统。
2．气浮方式
气浮式实验系统的最大优点是重力补偿比较彻底、建造周期短、费用低、易于实现等。缺点是一般只能进行平面的实验。采用气浮式实验系统的有加拿大SRMS和SSRMS地面实验系统、日本JEMRMS地面实验系统、美国斯坦福大学建造的双臂自由飞行空间机器人系统等[113]。图1-14和图1-15所示分别为加拿大 SSRMS 气浮地面实验系统和斯坦福大学双臂自由飞行空间机器人地面气浮实验系统。
3．水浮方式
水浮式实验系统通过水的浮力来补偿机器人的重力影响，可实现空间机器人三维空间操作的物理仿真，但系统的维护费用高，实验时还需保证系统的密封性。美国马里兰大学研制的 Ranger机器人水浮实验系统[114]以及意大利帕多瓦大学航天工业国际研究中心（Center of Studies and Activities of Space，CISAS）研制的水浮实验系统[115]分别如图1-16和图1-17所示。
4．运动学等效方式
原型样机与数学模型相结合，也能进行微重力环境下的空间机器人地面实验，其基本原理是：通过精确的动力学模型，计算微重力环境下空间机器人的运动情况，再通过原型样机（或者采用运动学等效方式的工业机器人）来实现这一运动。美国麻省理工学院研制的 VES-Ⅱ机器人采用 Stewat 平台实现了基座的六自由度运动[35]，可进行自由漂浮下的空间机器人实验，如图1-18所示；DLR采用两个工业机器人建立的空间机器人的地面实验系统[116]，如图1-19所示；加拿大的SPDM地面任务验证系统也属于此种类型，它可以用来进行运动学和动力学仿真[8]，以验证空间站的各种维修操作，并且提出了评判测试结果有效性的定量准则[117]，如图1-20所示。它利用配重来补偿地面的重力影响，采用的控制与飞行的SPDM完全一致，并可以进行碰撞动力学的仿真，是对空间机器人仿真最为理想的方式。
遥操作系统是“空间机器人系统”的重要组成部分，是地面操作员针对空间机器人开展交互式远程操作与控制的关键系统，地面操作员通过遥操作系统与空间机器人构成一个天地大回路控制系统，可实现大时延条件下的实时控制。本书主要研究空间机器人遥操作及其控制的若干关键技术，第1章为绪论，主要介绍了空间机器人遥操作及其控制技术的研究意义、国内外空间机器人遥操作技术现状及相关技术的综述。第2章～第10章为本书的主要研究内容，包括五部分：第一部分为空间机器人遥操作系统设计（第2章）；第二部分为双边遥操作系统模型及性能分析（第3章）；第三部分为空间机器人遥操作关键技术，即图形预测仿真技术及运动学参数辨识（第4章）；第四部分为空间机器人遥操作控制技术的研究（第5章～第8章）；第五部分为空间机器人遥操作地面验证技术及地面实验研究（第9章～第10章）。
各章的具体内容如下：
第1章主要对国内外空间机器人遥操作项目进行了介绍，并对空间机器人遥操作中的关键技术进行了综述。
第2章首先介绍了空间机器人系统功能与组成，然后结合我国空间机器人遥操作系统的实际需求，提出了空间机器人遥操作系统方案设计。系统包括任务规划、主从/双边控制、预测仿真、信息处理和地面验证五个子系统。按自主能力从低到高，系统具备以下几种遥操作模式：主从模式、双边模式、共享模式、遥编程模式和自主模式。本章还提出了空间机器人遥操作分层控制体系结构，将各种遥操作模式有机地集成起来，通过各层的操作员接口为地面操作员提供了强大的交互能力。
第3章主要介绍了双边遥操作系统模型，并分析了双边遥操作系统设计中几项重要指标的内在联系。
第4章主要介绍了图形预测仿真技术中的仿真环境与模型修正问题。本章建立的图形预测仿真子系统具有如下特点：动力学建模与仿真模块将空间机器人的轨道动力学和多刚体动力学的建模与仿真集成在同一环境中；虚拟融合和视频融合模块同时显示预测状态和实际状态，增强了操作员的视觉反馈；基于有向包围盒的碰撞检测方法，同时满足了碰撞检测的实时性和精度。同时，针对空间机器人在发射后其运动学参数可能发生较大变化，本章还提出了线性简化与非线性优化相结合的空间机器人运动学参数辨识方法，既满足了大偏差条件下的辨识精度要求，又实现了运动学参数的在线辨识。
第5章主要针对目前力反馈控制算法中稳定性判据过于保守导致透明性降低的缺陷，提出了一种基于小增益稳定理论的时延力反馈控制算法。该算法在进行力反馈时综合考虑了操作员与从端接触力的关系，降低了稳定性判据的保守性，提高了力反馈透明性，并通过仿真及地面实验对所提出的方法进行了验证。
第6章介绍了多工作模态复杂任务的双边遥操作控制算法。本章首先提出了一种基于四元数的变时延任务空间无源双边控制算法。以此为基础，结合机器人在执行任务时各个模态的特点，本章又进一步设计了一种基于变增益切换的双边遥操作控制方法。
第7章考虑空间机器人在约束环境中工作时存在动力学不确定的情况，首先提出了一种时延下的自适应双边控制算法，然后结合预测计算力矩和鲁棒控制技术，进一步设计了具有确定暂态性能的自适应双边控制方法。
第8章针对空间机器人在复杂约束环境或非结构化环境中进行灵活操作的需求，设计了半自主自适应双边遥操作控制框架，并结合从端混合阻抗控制及冗余机器人的遥操作，提出了具体的控制算法。
第9章主要介绍了空间机器人遥操作中的地面验证技术。基于运动学等效原理及硬件在环中的遥操作地面验证思想，本章建立了一套空间机器人遥操作地面验证子系统，以确保遥操作的安全性和可靠性。地面验证子系统由天地通信模拟器模块、星载验证模块、空间机器人动力学模拟模块和基于运动学等效的物理验证模块组成。天地通信模拟器模块用于模拟天地通信时延和通信码传输速率；星载验证模块用于验证遥操作指令的解析、执行时序以及星载计算机的运算能力，控制计算机的软、硬件均与星载设备的一致；动力学模拟模块提供空间机器人的反应结果；基于运动学等效的物理验证模块采用运动学等效原理，利用工业机器人来等效空间机器人末端的运动。
第10章以地面验证子系统作为操作对象进行遥操作实验研究，以验证所设计遥操作系统的功能和性能。地面验证子系统模拟真实的空间机器人，包括数据接口、通信协议、时延等。通过开展遥操作实验可以发现遥操作系统存在的问题，加以改进后可为后续遥操作系统的发展提供基础。
本章首先介绍了空间机器人遥操作及其控制技术的研究意义，然后综述了国内外空间机器人遥操作项目情况，并对空间机器人遥操作中的关键技术进行了介绍，最后介绍了本书主要研究内容和章节安排。
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