基于任務(wù)級的空間遙操作研究

趙 迪，李世其，朱文革，王明明

（1華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074；2湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，武漢430068）

1 引言

遙操作系統(tǒng)可以使機(jī)器人等智能設(shè)備代替人類工作在危險、人類不能到達(dá)或人類不適于長期駐留的環(huán)境中。遙操作的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍決定了其主端和從端的空間距離的分布，時延是一個不可避免的突出問題，試驗證明對于通常意義下的雙向力反饋遙操作系統(tǒng)，如果存在0.25s的時延就可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，嚴(yán)重降低人的操作感覺，進(jìn)而降低遙操作的效率和安全性。為了解決時延帶來的遙操作系統(tǒng)的透明性問題很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，主要采用的方法包括遙編程，預(yù)測控制和基于事件監(jiān)督控制方式[1，2，3]。傳統(tǒng)的解決方法是利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的預(yù)測圖形仿真技術(shù)來消除其影響，即建立一個虛擬的仿真環(huán)境，該虛擬仿真環(huán)境可以實(shí)時將操作結(jié)果反饋給操作者，而遠(yuǎn)端的機(jī)器人則在一定的時延后重復(fù)仿真結(jié)果，這樣就可使操作者面對虛擬仿真模型進(jìn)行連續(xù)地實(shí)時操作，以克服時延的影響。

我國在2011年11月通過神舟八號飛船實(shí)現(xiàn)了空間自動交會對接，空間遙操作技術(shù)在遙操作交會對接中的應(yīng)用，可以作為未來我國空間站無人飛行器自動交會對接系統(tǒng)的備份手段，也可用于空間非合作目標(biāo)的空間交會和對接。在遙操作中當(dāng)從端遠(yuǎn)離主端時，兩者之間的通訊時延不可忽略。例如，在地面站與行星軌道上的空間機(jī)器人之間的通訊時延達(dá)到了 3s～6s[4，5，6]。當(dāng)采用傳統(tǒng)的方法時，在這樣大的通信時延下可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。此外，遠(yuǎn)端的操作環(huán)境也可能因某些外界因素的作用而發(fā)生變化，而這些變化卻不能及時地在仿真中得到反映，因此如完全依靠操作者對復(fù)雜的任務(wù)進(jìn)行實(shí)時的主從遙操作，則經(jīng)常面臨“運(yùn)動-等待-運(yùn)動”的問題，一方面需要操作者具有很強(qiáng)的任務(wù)規(guī)劃能力和遙操作的專業(yè)知識；另一方面增加了操作者的疲勞程度，降低了遙操作的效率[7，8]。

為解決復(fù)雜遙操作的任務(wù)規(guī)劃難、任務(wù)執(zhí)行質(zhì)量、效率難以保證和非專業(yè)人員無法進(jìn)行操作等問題，充分融合動作研究理論和Petri網(wǎng)技術(shù)的各自優(yōu)勢，本文提出了一種機(jī)器人遙操作任務(wù)規(guī)劃和仿真方法。該方法由將遙操作任務(wù)進(jìn)行三階段劃分，使用六元組結(jié)構(gòu)描述遙操作任務(wù)并動素分析方法對遙操作任務(wù)進(jìn)行仿真規(guī)劃。

2 基于任務(wù)級模塊化的遙操作結(jié)構(gòu)

如圖1所示，針對遙操作任務(wù)仿真將其劃分為任務(wù)規(guī)劃層和動作仿真層兩個層次，簡稱任務(wù)規(guī)劃層和動作仿真層。任務(wù)規(guī)劃層是指完成給定的一套任務(wù)的輸入、規(guī)劃和控制的集成與協(xié)調(diào)，主要完成任務(wù)輸入、任務(wù)劃分與描述、任務(wù)規(guī)劃與建模、任務(wù)過程仿真等工作，產(chǎn)生動素指令序列，指導(dǎo)動作仿真層功能的實(shí)現(xiàn)。動作仿真層是任務(wù)規(guī)劃層任務(wù)規(guī)劃在虛擬環(huán)境中的具體體現(xiàn)和驗證，主要負(fù)責(zé)接受任務(wù)規(guī)劃層指令，完成指令的映射、動素仿真和仿真反饋等工作，以及通過仿真反饋實(shí)現(xiàn)任務(wù)規(guī)劃的改正與優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)遙操作任務(wù)的精確、最優(yōu)控制。

在“任務(wù)規(guī)劃層—動作仿真層”結(jié)構(gòu)中，任務(wù)規(guī)劃層特指高層任務(wù)規(guī)劃，動作仿真層特指低層的具體動作執(zhí)行。

圖1 遙操作任務(wù)仿真的雙層規(guī)劃方法示意圖

任務(wù)輸入模塊主要實(shí)現(xiàn)與操作者的交互，為操作者提供任務(wù)級操作界面，接受任務(wù)輸入、進(jìn)行任務(wù)描述。任務(wù)解析、具體執(zhí)行指令交由任務(wù)層和動作層的其他模塊完成，這些模塊由一系列算法與知識庫組成，提供具體的規(guī)劃方案與執(zhí)行策略。

本文所用的任務(wù)規(guī)劃策略為，面向任務(wù)規(guī)劃層，采用Petri網(wǎng)對任務(wù)規(guī)劃層遙操作建立Petri網(wǎng)模型，即對作業(yè)單元粒度和動作單元粒度建立上層任務(wù)模型和下層子任務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)遙操作任務(wù)的自動劃分、優(yōu)化和建模。

圖2 遙操作任務(wù)規(guī)劃和動作仿真示意圖

如圖2所示，本文提出的復(fù)雜遙操作任務(wù)規(guī)劃方法：首先接受復(fù)雜遙操作任務(wù)輸入，采用本文提出的作業(yè)、動作與動素分析方法、任務(wù)三階段劃分方法和六元組結(jié)構(gòu)描述法進(jìn)行任務(wù)劃分與描述，應(yīng)用Petri網(wǎng)理論進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)建模，并采用Petri網(wǎng)仿真工具進(jìn)行任務(wù)過程仿真，隨之產(chǎn)生相應(yīng)的動素指令序列，至此任務(wù)規(guī)劃層的工作結(jié)束。動作仿真層則負(fù)責(zé)將動素指令序列輸入虛擬環(huán)境[9]，通過指令映射，產(chǎn)生相應(yīng)的動素仿真；從仿真結(jié)果可判斷任務(wù)規(guī)劃是否正確，正確則輸出相應(yīng)的操作指令，否則返回至Petri網(wǎng)任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)建模階段，從而對其進(jìn)行修改，直至輸出正確的動素仿真為止。

在遙操作系統(tǒng)中操作者處于任務(wù)規(guī)劃層，僅進(jìn)行上層的宏觀任務(wù)規(guī)劃和高級操作；機(jī)械臂的具體執(zhí)行與基本操作由動作層具體實(shí)現(xiàn)，該層對操作者透明。

動作層實(shí)現(xiàn)對空間機(jī)械臂的基本操作，如平移旋轉(zhuǎn)子操作；動作層還將實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)場景中模型的各自由度與空間機(jī)械臂維護(hù)環(huán)境中物體的各自由度的映射，將操作指令發(fā)送到空間機(jī)械臂控制器，完成遙操作任務(wù)。

當(dāng)操作者完成宏觀的任務(wù)級操作后，交由任務(wù)規(guī)劃與建模模塊和動作層將宏觀任務(wù)分解成若干子任務(wù)。通過參數(shù)選擇組合已知的子任務(wù)集，實(shí)現(xiàn)由多個子任務(wù)組成的任務(wù)序列，并實(shí)現(xiàn)具體的機(jī)械臂及末端操作機(jī)構(gòu)動作。

3 復(fù)雜遙操作任務(wù)的描述

復(fù)雜遙操作任務(wù)各異，可以對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，以便建模規(guī)劃。針對遙操作任務(wù)的特點(diǎn)，本文采用六元組結(jié)構(gòu)描述遙操作任務(wù)。具體描述形式如下：

每個復(fù)雜的遙操作任務(wù)的都可以表示為如下六元組：

其中：O表示任務(wù)模型T的操作對象集 (如空間機(jī)械臂的末端操作工具等)；G表示任務(wù)T的目標(biāo)集(如被操作目標(biāo)物等)；C表示當(dāng)前任務(wù)T所處的環(huán)境及約束條件集(如作業(yè)空間限制限制、運(yùn)動學(xué)約束及障礙物等)；V表示任務(wù)T所包含的變量集(如各自由度角度值以及空間坐標(biāo)系內(nèi)的位移等)；R表示任務(wù)T中變量之間的關(guān)系集(如各自由度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系等)；S表示變量的狀態(tài)集(如傳感器返回的當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)等)。

該描述方法的優(yōu)點(diǎn)是，所有遙操作任務(wù)均可描述為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化形式，方便計算機(jī)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃計算與優(yōu)化。復(fù)雜的遙操作任務(wù)可以分解成為簡單任務(wù)的序列。根據(jù)動作研究的理論，任何一個操作過程都可以分解成“接近-操作-離開”三個步驟，而其中的步驟又可分解成機(jī)械臂與靈巧手的動素。動素級別的操作加上參數(shù)化驅(qū)動，可由從端機(jī)械臂/靈巧手系統(tǒng)執(zhí)行。根據(jù)描述中各集合之間的關(guān)系，可將復(fù)雜遙操作任務(wù)細(xì)分為三層，即作業(yè)、動作與動素。每一層的任務(wù)均可由六元組結(jié)構(gòu)描述。

對機(jī)械臂/靈巧手系統(tǒng)抓取物體任務(wù)進(jìn)行任務(wù)三階段劃分如下：接近物體；抓取任務(wù)遙操作；離開作業(yè)空間。

基于該任務(wù)的六元組結(jié)構(gòu)描述，由于機(jī)械臂/靈巧手各任務(wù)階段所完成的工作不同，三階段分別包含六元組結(jié)構(gòu)描述中的不同參數(shù)組合。

4 基于petri網(wǎng)的遙操作任務(wù)規(guī)劃和仿真方法

本文提出的遙操作任務(wù)劃分方法，具體為：根據(jù)作業(yè)、動作與動素分析方法將遙操作任務(wù)劃分為作業(yè)單元、動作單元和動素單元三個層次；根據(jù)任務(wù)三階段劃分方法，將遙操作任務(wù)劃分為接近、操作和離開三階段，作業(yè)單元劃分、動作單元劃分與動素單元劃分均可依據(jù)此原則進(jìn)行劃分，各級劃分存在粒度差異；根據(jù)任務(wù)六元組結(jié)構(gòu)描述法，在任務(wù)劃分和描述的基礎(chǔ)之上，對任務(wù)結(jié)構(gòu)、參數(shù)及其之間相互關(guān)系進(jìn)行描述。

對任務(wù)規(guī)劃層遙操作建立Petri網(wǎng)模型，即對作業(yè)單元粒度和動作單元粒度建立上層任務(wù)模型和下層子任務(wù)模型，實(shí)現(xiàn)遙操作任務(wù)的自動劃分、優(yōu)化和建模。

以取物任務(wù)為研究對象，根據(jù)圖3取物任務(wù)分解示意圖，采用結(jié)構(gòu)化建模的方法，建立Petri網(wǎng)層次模型圖，如圖4。上層任務(wù)模型在作業(yè)單元粒度層面上將任務(wù)分解為進(jìn)入作業(yè)空間、進(jìn)入操作空間和離開作業(yè)空間三個子系統(tǒng)，下層子任務(wù)模型則在動作單元粒度上對上層模型進(jìn)一步細(xì)分。

圖3 取物任務(wù)分解示意圖

上層任務(wù)模型如圖5所示，該模型的庫所和變遷的含義如表1、表2。

下層子任務(wù)模型在動作單元粒度層面又分為進(jìn)入作業(yè)空間、進(jìn)入操作空間和離開作業(yè)空間三個流程單元。

圖4 Petri網(wǎng)層次模型圖

圖5 上層任務(wù)模型圖

表1 任務(wù)模型庫所表

表2 任務(wù)模型變遷表

進(jìn)入作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型如圖6所示，該模型的庫所和變遷含義如表3、表4。

表3 進(jìn)入作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型庫所表

表4 進(jìn)入作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型變遷表

進(jìn)入操作空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型如圖6所示(圖中di1表示執(zhí)行指令后反饋的信息)，該模型的庫所和變遷含義如表5、表6。

圖6 操作空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型圖

表5 進(jìn)入操作空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型庫所表

表6 進(jìn)入操作空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型變遷表

離開作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型如圖7所示，該模型的庫所和變遷含義如表7、表8。

圖7 離開作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型

表7 離開作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型庫所表

表8 離開作業(yè)空間子系統(tǒng)Petri網(wǎng)模型變遷表

在上述Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，采用基于Petri網(wǎng)仿真工具描述任務(wù)過程和實(shí)現(xiàn)任務(wù)仿真，其輸出數(shù)據(jù)驅(qū)動動作仿真層虛擬環(huán)境動作仿真，從而來驅(qū)動場景動畫，從任務(wù)規(guī)劃層和動作仿真層兩方面對遙操作進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的任務(wù)規(guī)劃和仿真，從而實(shí)現(xiàn)對遙操作的準(zhǔn)確預(yù)測和控制。

虛擬環(huán)境仿真和基于Petri網(wǎng)仿真間的數(shù)據(jù)調(diào)用關(guān)系如圖 8所示，虛擬環(huán)境場景依次讀取基于Petri網(wǎng)仿真的仿真輸出數(shù)據(jù)，完成操作動作，此過程是對任務(wù)規(guī)劃中動作單元層數(shù)據(jù)從左至右的遍歷，遍歷完成，任務(wù)隨之完成。

從虛擬環(huán)境場景運(yùn)動仿真過程來看，動作的執(zhí)行順序與Petri網(wǎng)的任務(wù)規(guī)劃相一致，動作的執(zhí)行幅度與基于Petri網(wǎng)仿真的仿真輸出參數(shù)相一致。

圖8 虛擬環(huán)境仿真和仿真間的數(shù)據(jù)調(diào)用關(guān)系圖

通過虛擬環(huán)境場景運(yùn)動仿真，可以直觀觀察到，機(jī)械臂/靈巧手系統(tǒng)按照任務(wù)規(guī)劃的運(yùn)動順序，逐個完成每個動作，抓取物體、移動物體、放置物體等，任務(wù)的執(zhí)行準(zhǔn)確無誤，且機(jī)械臂/靈巧手系統(tǒng)未與物體發(fā)生不安全的碰撞，任務(wù)的完成效果比較理想。

5 試驗驗證

針對微重力環(huán)境下固體潤滑材料試驗裝置的取回操作，用本文的方法進(jìn)行任務(wù)分解，將復(fù)雜遙操作任務(wù)分解成為由從端機(jī)械臂系統(tǒng)可執(zhí)行的動素指令。

固體潤滑材料試驗裝置取回，主要有撥（插銷）、拉（插銷）、壓（把手）、提（把手）四個操作。以撥操作為例，該任務(wù)可描述為：

集合Om{機(jī)械臂/靈巧手}；集合Gm{轉(zhuǎn)動插銷把手(后簡稱把手)}；集合Cm{把手位置坐標(biāo)與目標(biāo)位置坐標(biāo)相符(主要是轉(zhuǎn)角對應(yīng))}；集合Vm{把手的坐標(biāo)位置與尺寸，目標(biāo)位置的坐標(biāo)位置，機(jī)械臂的位置與姿態(tài)，靈巧手的位置與姿態(tài)等}；集合Rm{把手坐標(biāo)位置與最終撥動到位的位置的坐標(biāo)關(guān)系}；集合Sm{當(dāng)前各傳感器所返回的系統(tǒng)狀態(tài)信息}。

基于以上的任務(wù)描述建立撥操作的Petri網(wǎng)模型，該操作可劃分為接近把手、轉(zhuǎn)動把手和離開把手三個子任務(wù)；其中接近把手可以劃分為由初始狀態(tài)到機(jī)械臂快速接近把手和緩慢接近把手三個動作；快速接近把手和緩慢接近把手均可由伸手、定位和調(diào)整三個動素完成，其需要知道的參數(shù)來自于集合Vm。

經(jīng)過分析，得到“撥”操作的動素序列為：

初始化->伸手->定位->調(diào)整->伸手->定位->調(diào)整->握取->持住->調(diào)整->轉(zhuǎn)動->定位->調(diào)整->放手->調(diào)整1->調(diào)整2->伸手->調(diào)整1->調(diào)整2，加上相應(yīng)的參數(shù)，機(jī)械臂便可自動執(zhí)行撥的操作，通過虛擬環(huán)境場景運(yùn)動仿真來驗證操作的正確性。在操作過程中，如果操作者發(fā)現(xiàn)操作有誤，可以實(shí)時進(jìn)行干預(yù)，避免自動任務(wù)劃分功能不完備造成失誤。

6 總結(jié)與展望

此方案從任務(wù)規(guī)劃層和動作仿真層兩方面對遙操作進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的任務(wù)規(guī)劃和仿真，充分發(fā)揮了任務(wù)規(guī)劃層整體規(guī)劃、協(xié)調(diào)和與操作者交互的功能，指導(dǎo)動作仿真層具體遙操作動作按照任務(wù)規(guī)劃策略進(jìn)行；任務(wù)規(guī)劃層和動作仿真層的積極反饋，指導(dǎo)任務(wù)規(guī)劃的優(yōu)化和調(diào)整，最終準(zhǔn)確、高效地完成遙操作任務(wù)，簡化了工作人員的操作工作。在今后的研究中要進(jìn)一步加強(qiáng)任務(wù)自動劃分方法的研究。采用優(yōu)化算法，在多個任務(wù)劃分方案中選擇最優(yōu)方案進(jìn)行操作，提高遙操作任務(wù)效率。◇

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