1人机协作关系
可以认为人具有高级智能和特别的环境感知能力，适合快速处置各种故障及现场问题。但是由于微重力及其它因素的影响，人在空间中容易产生运动感觉紊乱、前庭功能障碍、错觉、疲劳等问题，工作能力有一定程度的降低。航天员活动主要受到以下条件的制约:1)出舱活动危险性较高，应尽量减少出舱次数;2)航天服限制了航天员的机动性、灵活性和视域;3)舱外活动时间受限，出舱前需要花费一定时间对航天服充压;4)航天员空间环境的适应性有限。机器人的探测精度高、工作时间长、安全性高，能够自主或在地面、航天员的操控下执行远距离、恶劣环境下的巡视探测、物资搬运、维修维护等科学任务，具有如下优点:1)环境适应性好，2)工作时间长，3)负载能力大，4)操作精度高，5)安全性高，6)程序化、重复性好等。可以认为人的行为具有随意性、情绪化、易于出错和不可预知性，但具有高级智慧，善于推理，并处理未知环境及不确定任务条件的能力。机器人的行为具有程序化、确定性，但缺乏想象力，智力水平低，应变能力较差。因此人机协作可以充分利用彼此优势、弥补各自不足，完成多种复杂作业探测任务，实现操作效率的最大化，如图2(a)，人机联合作业是未来空间操作和探测的必然发展趋势。对于复杂的空间作业探测任务，可充分发挥航天员在现场的直觉思维和临场应变，从而有效提高效率;对于前期作业准备、程序化作业、保障救援和辅助配合等任务，可充分发挥机器人的低成本、环境适应性强和工作时间长等优点。
2人机交互关系
按现有机器人技术的发展现状，并考虑到空间操作的安全性和可靠性，机器人系统达到完全自主控制的难度很大，现阶段一般采用人机交互与自主协调，遥操作为主、局部自主操作为辅的控制模式，即部分地被航天员控制，将人作为控制系统的一个环节参与到机器人的控制中，利用人进行高层次的任务规划和命令设计，如图2(b)。因此，相对于卫星或无人星球探测应用领域的机器人，载人航天领域航天员在环的机器人控制大大降低了机器人控制的难度，保证了空间机器人的实用性。在空间机器人的地面遥操作中，通信时延成为影响临场感遥操作的突出问题，时延的存在降低了系统的临场感效果，使操作者难以实时地感知远地环境的情况，而且通信时延的变化或天地远程传输的丢包、乱序等现象可能导致控制系统的稳定性下降。因此，短距离的人机交互将是载人航天领域机器人交互控制的核心，相比远程的地面遥操作，近乎零时延使深度临场感和视觉临场感成为可能;同时航天员可在近距离使用多种手动控制器或其它高级人机交互手段更自然直观、更精确便捷地对机器人进行交互控制，使航天员的操作负荷和认知负荷大大减轻。本文将结合空间站未来在轨服务的需求，对可与航天员友好协作及交互的新型机器人开展概念设计。
3空间站人机系统需求分析
为了提升操作能力、减轻航天员负担，我国空间站工程对新型机器人提出了任务需求，具体体现在以下方面:1)使用新型机器人拓展空间站操作能力，配合已有的机械臂系统开展通用化、高灵活性和高精度操作，如装配、螺钉或电连接器拆装等;2)使用机器人配合航天员应对空间站舱内及舱外的突发操作，如堵漏、灭火等，以缓解人力资源紧张的问题;3)使用机器人辅助航天员舱内常规性或周期性的活动，如科学实验、清洁维护等，以减轻航天员工作负担;4)使用新型机器人辅助航天员舱外活动，或开展出舱前的准备活动，如扶手、限位器或操作平台的安装，以降低出舱风险并提高出舱效率;5)使用机器人满足航天员的情感需求，与航天员交流解除航天员长期在轨的孤独感;6)可利用空间站有人的优势，开展空间机器人技术验证。
4空间站新型人机系统概念设计
4.1人机系统总体设计思想
根据任务需求分析，人机系统应具有如下功能:1)类人的肢体运动能力及可达空间:机器人旨在辅助或替代航天员作业，机器人的运动能力及灵活性应相当或高于航天员的能力，其工作空间可覆盖航天员的运动范围;2)面向通用对象的灵巧操作能力:机器人可对通用对象包括不同形状的对象及航天员用工具进行操作，具有精细化和灵巧操作的能力;3)移动能力:机器人可通过多种方式在空间站舱内及舱外移动，基本可覆盖有操作需求的区域;4)多模式操作能力:人机系统具有多种操作模式，可在地面遥操作、站内遥操作及局部自主多种模式下工作，各种模式可切换;5)丰富灵敏的外界感知能力:人机系统集成多种传感器，可对外界环境进行充分的感知，为人机系统的判断和决策提供输入;6)多样化人机交互手段:操控者可通过多种手段自然地对机器人进行深度临场感交互。针对上述功能要求，面向空间站在轨服务人机系统的总体设计思想从以下四个方面掌控:1)类人的工作能力和可达空间、拟人化友好外形设计:为了成为航天员不可或缺的朋友和伙伴，新型机器人在构型与外形上与人相似，并具有与航天员相当的工作能力和可达空间;2)高灵活性和可靠性机器人系统:为了应对舱外恶劣的空间环境，人机系统在总体设计层面上就应保证高可靠性，通过单臂自由度冗余及多臂互相冗余在总体层面保证系统具有较高的容错性和安全性，同时也提高了机器人系统的灵活性;3)可利用空间站舱外扶手攀爬:人机系统可利用空间站表面的航天员扶手进行爬行移动，移动范围可高效地覆盖舱体表面的绝大部分区域，无需额外“铺路”或添加额外的接口［7］;4)人机交互与自主协同控制:为了保证操作的可靠性和安全性，人机系统的操作模式以人机交互为主，以局部自主操作模式为辅，且具备多种人机交互手段。
4.2机器人基本构型方案
机器人为人机系统的研究重点，对于机器人的总体构型与布局，其上肢构型采用拟人的构型。拟人的构型可使机器人具有与航天员相当的工作能力和可达空间，保证了人机系统对于航天员的可替代性;对于构型及操作特点类似航天员的双臂拟人机器人，航天员可以更自然、直观的方式进行交互;同时友好的人形外观特征可避免机器人生冷僵硬的机器感，拉近航天员与机器人的距离。借鉴人体自由度的配置情况，人机系统上由两条7自由度的手臂、一对12自由度的五指灵巧手、3自由度颈部、作为传感器平台的头部、躯干部分(内置机器人的核心处理器)、电池及机械臂适配器等组成，如图3。人机系统上肢体型与身穿航天服的航天员的相似，方便人机系统可共享使用航天员的工作空间及工具。4.2.1拟人化手臂拟人化手臂共7个自由度，其中肩俯仰、肩偏航、肩滚转、肘俯仰及腕滚转由模块化关节实现，腕俯仰和腕偏航通过两个滚珠丝杠组件差动实现，使用滚珠丝杠组件替代常规关节，减小了手臂的包络和质量，拟人化手臂的DH坐标系及DH参数如图4。4.2.2五指灵巧手五指灵巧手的设计目标为实现仿人的抓握及末端操作，手型与航天员戴手套的尺寸相当，由5个部分模块化的手指组成，共12个自由度，拇指有4个自由度、食指和中指3个自由度，其它手指2个自由度，如图5。传动系统采用驱动外置腱(拉绳)传动方式，驱动和控制元件等集成于前臂，可提高可靠性及维修性。灵巧手集成了关节角度传感器、指面接触力传感器、腱张力传感器等，多传感器的配合使用为精确控制提供足够的感知输入。4.2.3模块化系列化关节从人机系统的驱干出发，机器人分化出一个多分支结构，包括用于灵巧操作的双臂、用于头部定位的颈部和用于移动的腿部，关节是这些运动链的共性关键技术。人机系统的所有关节采用模块化、系列化的设计思想，组成与设计基本相同，分为俯仰和滚转两种形式，根据承载要求可分为三种规格。关节主要由直流无刷电机、谐波减速器、电磁制动器、绝对位置传感器以及力矩传感器等组成。关节的驱动器和控制器均集成于关节内部，采用内部走线。4.2.4头部及颈部机器人头颈部系统主要用于空间目标的识别和位姿测量、遥操作视觉反馈、视觉实时跟踪及辅助照明等。头部作为一个多传感器平台，配置了多种传感器，表1是头部传感器的配置及功能，通过视觉测量和视觉跟踪功能使得机器人能够主动识别并定位操作工具及操作对象，通过语音交互操作者可以通过语音对拟人机器人控制并指导机器人完成作业任务。颈部关节系统主要由3个自由度的串联关节系统组成，分别为宏俯仰、回转及微俯仰三个自由度，这种设计方案可使机器人头部具有灵活、快速的目标追踪特性。
4.3机器人移动方案论证
4.3.1攀爬移动接口机器人在空间站舱内及舱外的移动可考虑多种方案，在各种方案中均采用航天员扶手作为攀爬移动的标准接口，因为扶手是航天员移动、固定和操作的标准接口之一，扶手在有操作需求的区域和载荷上均有布置，无需因机器人而增加空间站额外的接口。图6是航天员扶手的构型及在空间站表面的布置。4.3.2基于移动的构型方案机器人大范围的移动可考虑在空间站机械臂的辅助下完成，机器人的背部配置机械臂的标准适配器，大、小机械臂通过其末端效应器与机器人形成连接和固定，如图7(a)所示。机器人在小范围区域的移动由机器人自主完成，因此机器人需在拟人上肢结构的基础上，基于自主移动进行构型的扩展，机器人可考虑的总体构型方案如图7所示。1)方案一:三分支结构，两手一腿式。人机系统为一个三分支结构，两条手臂构型相同，末端配置五指灵巧手，腿部为一套强度和刚度更大的机械臂，末端采用航天员脚限位器接口。人机系统通过双手抓取扶手攀爬移动，移动到工作位置后，通过脚限位器接口固定在舱体表面，由双臂进行操作作业，如图7(b)。2)方案二:三分支结构，三手冗余式。人机系统为一个三分支结构，三条手臂构型相同，呈120°周向阵列分布，类似EUＲOBOT［8］，三臂可相互冗余，提高系统的整体容错性，手臂末端均配置五指灵巧手。人机系统通过双手抓取扶手攀爬移动，移动到位后两手抓取扶手连接定位，仅有一支手臂开展操作作业，如图7(c)。3)方案三:四分支等价机械臂式。人机系统为一个四分支结构，四条手臂的构型相同，四分支90°周向阵列分布，四臂可相互冗余，末端可按任务需求配置五指灵巧手或专门的扶手抓取工具。人机系统通过双足抓取扶手实现移动，移动过程中双手还可搬运货物，移动到位后双足抓取扶手形成可靠连接，由双臂开展操作作业，如图7(d)。根据方案的梳理和对比，认为四足式方案达到了机器人的操作灵巧性和移动自主性的有效统一，可作为优选的方案，此方案的优点如下:1)机器人不分手足，每个手臂既可用于作业也可用于行走，同时双臂攀爬过程中，另外两臂可负重或操作，可原位转向，移动和作业效率较高;2)机器人利用EVA扶手进行攀爬的方式，与地面人形机器人双足步行的方式大不相同，在行走步态规划方面可充分借鉴长臂猿高效的爬行方式，如图8，实现难度较低;3)机器人由四分支90°阵列分布的等价机械臂组成，系统有较高的容错性，当其中某一个或两个手臂发生故障时，机器人仍能完成预期的任务并保证安全性，甚至具有变构型、自修复的能力，系统冗余的构型提高了应对复杂空间环境的可靠性;4)机器人主要依靠扶手抓取工具攀爬行走，这种方式相比单纯依靠灵巧手的抓取可提供更好的几何封闭和力封闭，因此连接更为可靠且抓取接触面的传感器不易发生损伤。
4.4人机交互与自主协同控制
4.4.1协同控制模式人机系统采用人机交互与自律协调控制模式，如图9。根据人机系统人、机、环境的三要素，人在这个控制闭环中，一方面通过图像、触觉等深度临场感手段了解人、机、环境信息，另一方面在数据库及专家系统的辅助下通过手控器、语音交互等人机交互手段对机器人发布交互指令;临场感信息及交互指令通过具有延迟特点的天地网络或站上无线网络在人与机之间传递;机器人通过自身或外部传感器信息认知其作业环境，并执行人发来的操作指令;在操作的过程中，机器人可进行自律控制，可根据当前状态调整运动参数，自主地进行滚动重规划，进一步确保操作的安全性和准确性。现以机器人单臂的工作模式为例来详细阐述整个控制系统的控制原理，如图10。控制系统首先由操作员，即航天员，控制操作终端发布指令;如果移动操作终端执行的是任务级指令，则需要根据软件中存储的专家知识库进行任务分解，从任务库和动作库中映射出相应的动作，根据视觉测量提供的目标信息，生成相应的动作指令，通过无线网络下发至中央控制器中;如果操作终端发送的直接是运动级指令，则生成相应的动作指令，通过无线网络下发至中央控制器中。中央控制器完成指令解析和轨迹规划等功能，并通过力反馈值来判断是否需要进行自主的力柔顺控制，最后经过逆运动学求解出各关节的转角，由实时通信总线下发至各关节伺服驱动器中，关节伺服驱动器中执行的是三闭环的电机驱动控制算法。4.4.2人机交互根据任务的特点，人机系统配备了多种交互手段，对于简单且参数确定的任务，在任务执行前进行任务规划与分解，通过鼠标键盘完成对机器人的任务级遥操作;对于复杂且不确定的任务，采用手控器或其它高级人机交互手段完成。1)手臂手控器交互手臂的手控器是机器人拟人化手臂的手动控制设备，具有运动输出和力反馈功能。手控器可分为同构式和异构式两种，方案的初期拟采用较成熟的Delta并联机构式的手控器。此外，可穿戴同构式手控器构型与机器人的构型相同或相似，可基本实现手控器与人相同的运动映射关系，因此操作较自然、直观，对操作者的认知负担小。因此待研发成熟后，可穿戴同构式手控器应是拟人空间机器人人机交互的必备手段。2)灵巧手数据手套交互数据手套是虚拟现实系统的一种重要的输入工具，它的基本功能是实时测量人手各个关节角度的变化，并将这些信息送往灵巧手的控制器，使得操作用户以一种比较自然的方式与灵巧手进行实时交互。方案中采用了Immersion公司的Cy-berGloveII数据手套，带有22个灵敏传感器，采用其中全部或部分传感器能精确地测量手指和腕部的位置和运动。对于力觉信息的采集，采用虚拟外设CyberGrasp力反馈器，如图11，同时为了避免网络数据传输不稳定带来的力觉感知不连贯等问题，通过真实力与虚拟力相结合的方法进行力反馈［9］。3)体感人机交互基于人体姿态感知的人机交互技术旨在使操控者能以更高的临场感、更自然直观、更精确便捷的方式操控机器人完成空间作业任务［10］，可有效减轻操控者的操作负荷和认知负荷。需建立适用于太空失重环境的基础肢体形态库、手势库、语音库等，并对典型空间作业任务进行预先的任务规划，可以通过人体姿态感知实现任务级指令的发送，或者可直接实现机器人的同步实时运动交互。人体的姿态感知可通过视觉或可穿戴设备(如交互背心等)进行测量。4)语音交互语音交互对于本机器人有两方面的应用:一方面，取代鼠标键盘的大部分功能、下达简单固定的运动指令，需建立针对特定应用的中小词汇量、孤立词的特定人语音识别系统;另一方面，使机器人与航天员对话，以解除航天员长期在轨的孤独感，因此需研发语音识别功能、自然语言处理功能、语音合成功能及信息与通信功能等。
5结论
1)未来在空间机器人方面应重点发展人机协作型空间机器人，在人机交互方面应开发适合航天员的自然人机交互系统;2)构型及操作特点与航天员类似的多臂拟人机器人，可有效地辅助航天员开展空间作业，并且航天员可较自然、直观地对机器人进行人机交互，是人机协作型空间机器人的一个重要方向;3)尽管本文所提的机器人在系统上具有一定的复杂性，但其多臂等价的方式一定程度上降低了实现难度，且其与空间站的接口较简洁，随着机器人技术的进步，可应用于空间站后续的运营与维护。
作者：韩亮亮 杨健 陈萌 唐平 曾占魁 张崇峰 单位：上海宇航系统工程研究所 上海航天技术研究院 上海市空间飞行器机构重点实验室
