空間任務人機協同作業內涵及關鍵技術問題

朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

空間任務人機協同作業內涵及關鍵技術問題

朱恩涌 魏傳鋒 李喆

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

論述了空間任務人機協同作業的內涵，指出其與其它人機關系相比具有平等性、獨立性和協同性的特點；分析了國內外相關研究情況，得出目前人機協同作業研究大多集中在人機交互領域，缺乏對頂層的研究；指出需要重點關注的人機任務分配、人機安全控制和人機信息交互三個關鍵問題，并提出了我國開展空間任務人機協同作業的發展建議，如與遙操作技術的發展和應用緊密結合、充分注重在軌演示、應當先采用人主機輔的模式等。

人機協同；空間任務；內涵；關鍵技術

1 引言

隨著空間科學、空間應用和在軌服務需求的不斷增加，要求航天員開展越來越多的空間作業。未來載人登月或月球基地工程的實施，更是需要航天員進行月面勘探、采樣，乃至于原材料冶煉、建筑材料生產、基地建筑建造等一系列復雜作業。但是由于微（低）重力的影響，航天員容易產生運動感覺紊亂、失去定向以及肌肉緊張度過高等問題；航天員活動還將受到航天服、光照、心理恐慌等因素的制約，工作能力有很大程度的下降［1］。為提升任務的成功率，減小航天員工作負荷和風險，采取人與機器人協同作業，不僅能使人的形象思維、直覺判斷和工作經驗與長期存儲、可精確推理與快速數據處理的機器人的人工智能有機融合，同時還能使人的靈活操作與機器人的快速與精確操作無縫結合，有效發揮人機的整體優勢，從而確保空間任務的順利實施。相對于地面任務，載人航天任務中人機協同關系更為復雜，技術難度更大。目前，國外正在積極開展空間任務人機協同研究，美國航空航天局（NASA）還進行了人機協同作業的模擬試驗，國內則主要是集中于人機交互技術研究。總的來說，目前對人機協同的研究仍以機器人為主，缺乏對人機關系的頂層研究。本文將對空間任務中人機協同作業的內涵、發展思路及關鍵問題進行研究，為空間任務人機協同作業的發展提供參考。

2 空間任務人機協同作業內涵

人機協同的“機”可以是計算機、機器或機器人，本文中的空間任務人機協同中的“機”專指機器人。人與機器人的關系包括人機協同、機器人遙操作、人機結合、人機聯合［2］等概念。這些概念在含義上既有相似之處，也有區別［3］。目前，尚無人機協同統一的定義，學者們的研究也未嚴格區分各種人機關系。本文認為空間任務人機協同作業是指航天員與機器人密切配合，相互協作，共同完成特定的空間任務。從其概念可以看出，人機協同包含兩個要素：人機分工和人機耦合。人機分工要求充分發揮人機各自的特長；人機耦合則是人機信息的交互和行為的互助，發揮人機的整體優勢。

相對于其它人機關系，人機協同作業中，人與機器人之間的關系有以下特征：

（1）平等性。機器人和協同作業航天員處于相對平等的地位，即兩者是“同事”關系，而不是“控制”與“被控制”的關系，但可以是“領導”與“被領導”的關系。機器人不是航天員作業的執行末端，航天員也不是機器人的控制中心，但是航天員也可以對機器人采取現場程序調制或應急控制等措施。

（2）獨立性。機器人與航天員是兩個相對獨立的實體，具備單獨作業能力。機器人可以是自主控制，也可以是遙操作控制，或是兩者結合，脫離了協同作業的航天員也能獨立工作。這與人機結合有顯著區別。

（3）協同性。機器人與航天員必須有交流和配合，以合作的方式共同完成某項空間任務。人機協同并非是航天員和機器人的簡單組合，而是按照一定關系、模式組合起來的“整體”。機器人和航天員不僅能進行信息的交互，還可以進行行為的互助和任務的動態調整。如果只強調人與機器人共同完成任務，則屬于人機聯合的范疇。

由于作業環境和任務特點的不同，空間任務人機協同作業相對于地面人機協同作業有以下特點：

（1）人機交互難度大。在真空、微（低）重力、空間輻射環境下，航天員活動還受到航天服的約束，這都不利于航天員和機器人之間的信息交互，為深化人機交互程度增加了難度。

（2）同時存在多人間協同。機器人由于智能化程度不足，更多時候還將依靠遙操作進行，協同作業航天員不僅需要與機器人進行協作，還將時刻與機器人操作人員、地面監視和技術支持人員進行信息交互，如圖1所示。因此實際上作業航天員需要與多人及機器人進行協同作業。而天地延時現象的存在，為這種協同作業增加了更大的難度。

（3）人機功能動態分配。實施空間任務時，由于存在很多未知情況，如在地外天體表面作業時，人類對地外天體表面的地表特征和任務對象等并不完全掌握，因此難以提前詳細規劃各項任務，這就要求人機需要現場進行動態分配任務。

圖1 空間任務人機協同作業模式Eig.1 Human-robot collaboration mode in space

3 國內外人機協同研究現狀

早期的人機協同就是人與計算機的協同，這也是人與機器人協同作業的基礎。20世紀80年代末，人工智能發展陷入低潮的時候，LENAT［4］提出一個預測：“‘系統'將使智能計算機和智能人之間形成一種合作關系，人和計算機各自完成自己最擅長的任務，系統的智能是這種合作的產物。”基于上述論斷，國外學者發表了一系列關于人機協同原則、框架和系統的理論研究成果。P.Millot等人［5］提出一種動態完成任務的人機協同系統的設計和評估方法，包括在人機任務分配和合作模式和評估準則。Pacaux-Lemoine M.-P.等人［6］指出人機協同需要解決兩個問題，即機器人如何完成任務和機器人與人之間如何進行配合。

1995年Jones等人［7］提出了人機系統研究的集成方法論，包括知識獲取、人的功能建模、人機交互環境、知識體系建模和智能輔助或合作系統5個部分，并實現了人機結合的衛星地面控制系統，使人機合作系統建模和結構研究更加深入［8］。Pramila Rali等人［9］提出一種高敏感度的人機協同系統。機器人采用生物傳感器獲取人的狀態信息，并進行了試驗研究。Dennis Perzanowski等人［10］設計了基于多模態信息人機交互的人機合作系統，人機交互的手段包括語言、手勢等。Donald Sofge等人［11］采用設計了多種人機交互界面，建立機器人航天員認知模型，提出了類人機器人（Robonaut）與人在軌協同作業的設想。

NASA為重返月球和載人登陸火星，啟動了“人與機器人系統”（Human Robotic System，HRS）項目［12］，將機器人作為航天員的伙伴，研究了多種人機組成，共同開展月面作業（見圖2）。試驗表明人機共同開展月面作業確實減少了航天員的艙外活動時間和工作量。

圖2 NASA的人機作業任務模擬試驗Eig.2 NASA simulated experiment on human-robot collaboration

國內目前還未見對人機協同作業的研究，僅是對人機交互技術進行了研究［13］。但國內一些學者對人機一體化思想進行了有益的探索。1990年，錢學森等人［14］提出人機結合的概念。楊燦軍［15］等人對人機一體化智能系統理論及應用進行了探索。之后滕弘飛等人［16］從工程應用角度綜述若干關鍵支持技術，包括人機結合系統結構、代理（Agent）、計算智能、信息感知與融合和泛化的綜合集成等。

總的來說，國內對人機協同的研究，仍以機器人為主，一些學者在人機交互傳感器、設備、技術等方面跟蹤國外相關技術開展了研究，但缺乏對人機關系頂層方面的研究。對人機任務分配的理論研究尚在起步階段。對于相對抽象的人機關系，也只從人與機器人的特征分析入手，定性層面提出了各自適合的工作類型，而針對空間任務人機協同的研究則更是鳳毛麟角。

4 空間任務人機協同作業關鍵技術問題

從空間任務人機協同作業的內涵可以看出，其主要就是涉及2個方面問題：一是機器人的能力，對于特定的環境和任務，機器人應具備何種能力；二是人與機器人如何配合，空間任務中機器人適于承擔哪些任務，怎樣實現人機交互。對于機器人的能力，這是整個人機協同的核心，關系到人機協同的程度。機器人技術研究較多，本文不再詳細論述。第二個問題，可以進一步延伸為3個技術問題：人機任務分配、人機安全控制和人機信息交互。

4.1 人機任務分配

人機協同要求人和機器人既獨立又相互配合開展作業，因此人和機器人的分工十分重要。人機協同作業系統設計的第一個問題就是明確人機各自的任務，包括：哪些任務需要人機協同開展，哪些任務應當屬于人或機器人負責，現場臨時任務如何分配等一系列問題。尤其是對于地外天體表面人機協同作業，任務復雜，天地通信延時更嚴重，這一問題顯得更為突出。人機任務分配須考慮到系統論、運籌學和工效學等多方面因素，雖然有很多學者進行了研究，但只解決了某個領域中的部分問題［15］。目前還沒有一個系統的、可普遍采用的任務分配決策方法。根據國內外的實際經驗，一般需要根據航天員能力、機器人水平、支持費用等因素進行分配，而且與具體的任務相關。通常而言，在任務開展前將完成任務的分配，但是對于空間任務而言，雖然任務規劃時可進行大部分任務的分配，但仍需要作業現場根據既定原則進行決策。總的原則是：在人機任務分配時，要充分發揮航天員和機器操作的各自特長，避其所短，使得任務設計在整體上達到高效、安全、可靠而經濟的目標。具體而言，在確保安全可靠的前提下，可以采用以下一種或幾種分配原則。

（1）匹配性分配原則：誰能完成任務的質量和速度更快，就將任務分配給誰。

（2）機器人優先原則：優先將任務分配給機器人，剩下的分配給人。

（3）能動性分配原則：注重發揮人的主觀能動性，將體現個人價值和能力的任務分配給人。

（4）經濟性分配原則：以任務成本為首要依據，任務的分配視經濟與否而定。

4.2 人機安全控制

安全是機器人與人近距離開展工作的首要要求。人和機器人協同作業，除了滿足航天員獨立開展作業的各項安全要求外，還需要防止機器人對航天員的傷害。機器人對航天員的傷害主要在以下3種情況時產生：一是航天員進入機器人作業路徑內，機器人可能對航天員產生碰撞等危險；二是操作人員可能會發送不正確或不合理的操作指令，導致空間服務機械臂等非正常的運動從而給航天員帶來威脅；三是機器人硬件或軟件發生故障進而失去控制。

對于第一種情況，通常在機器人作業時是劃定一個工作區域，禁止人員進入。但對于人機協同作業，這顯然是不合適的［17］，因為航天員與機器人位置關系，不能有固定約束。為解決這個問題，機器人可以采用多傳感器確定人與機器人之間的相對位置［18］。若判定機器人機械臂工作區域內沒有航天員存在時，機械臂可以以最快的速度工作；若航天員在工作區域內，但在一個安全距離，則以特定速度進行工作。一旦有人闖入機械臂運動路徑時，機械臂能馬上停止，或是通過改變運動路徑，規避航天員。對于誤操作，通常設定了機器人作業的原則，即機器人不能傷害人，或者說，不能因無所作為而使人受到傷害；機器人必須服從人給出的指令，除非它與第一條原則相違背。通過這兩項原則進行安全性設計，能確保機器人不對航天員進行直接的傷害。但是仍無法確保避免間接傷害。對于機器人故障，除了加強機器人魯棒性設計外，通常是建立應急保護系統，可以由現場航天員進行控制，也可以是其它航天員（如艙內或基地內航天員或地面人員）控制，在發生突發情況時，能緊急暫停機器人工作。

以上所有的策略，均需要有足夠靈敏度的傳感器和運算速度足夠快的計算機。但是就目前的技術，尤其是在空間條件有限的情況下，運算速度難以保證。在航天員進行應急避險或操作時，可能傷害已經造成。

4.3 人機信息交互

通過人機交互能將航天員的意圖準確實時地傳遞給機器人，也能將機器人的狀態信息以及對現場的檢測信息準確、快速地反饋給航天員，以使人和機器人能夠高效自然地協同完成任務。目前機器人感知的主要形式有形式化計算機語言、自然語言理解與處理以及圖形圖像識別等。此外，研究比較多的基于多模態腦電波信號的腦機交互技術，也取得了豐碩成果，但到目前為止，仍然處于探索階段［19-20］。

形式化計算機語言是目前人與計算機通信的主流，由于輸入不方便難以在人與機器人協同作業中廣泛應用。由于空間任務時人與機器人的距離可能在目視范圍內，也可能是在遠距離作業，因此對自然語言交互的需求更為強烈。目前理解和處理自然語言有許多方法［21］，本質是通過計算機做基于規則的匹配、推理或統計等工作。自然語言理解面臨如下難題：一是用詞無明顯的規律性；二是用詞不規范［22］；三是不同的語境漢語有多種理解。總而言之，自然語言遠未達到人機自然“對話”水平。圖形圖像人機交互主要是通過對人的肢體動作、表情等進行識別，進而準確判斷出人的意圖信息［23］。但是人的肢體動作形狀復雜而且多變，從二維圖像或視頻序列中準確識別，需要面臨很多困難。目前地面基于視覺的手勢識別系統也不成熟，存在識別率不穩定，實時性較差等缺點［24］。空間任務圖形圖像交互還將面臨以下影響因素：肢體動作的形變、光照變化、膚色漂移、遮擋及硬件條件約束等。

5 我國空間任務人機協同發展建議

通過載人航天一期和二期工程，我國載人航天具備了航天員安全進入太空和返回地面能力，掌握了航天員出艙活動、交會對接等一系列關鍵技術。但是對人機協同作業所必須的航天員艙外作業技術、空間自由服務機器人技術，還有待通過空間站工程的研制進行突破。對于地外星體表面作業技術和地外天體表面智能機器人技術，由于尚未登陸任何地外天體，目前還處于理論研究階段。但是，由于人機協同的優勢，必然是載人航天發展的一個重要方向，我國應提前在相關領域開展技術研究，為未來月球基地人機協同作業奠定技術基礎。該領域的研究和發展應當注意以下幾個問題。

（1）提前開展人機協同關鍵問題研究。人機任務的設計與分配屬于多目標決策的范疇，與航天員安全、任務成功率、任務執行效率、任務成本等密切相關；不同任務采用的人機協同模式也不同。航天員的安全在載人航天中永遠是首位，因此如何在保證安全性的前提下，通過功能分析和新技術的應用實現效費比最優是其最大目標。未來可以借助于人工智能的發展，建立相應的決策模型，為任務的分配和優化提供參考。人機安全控制的重要手段除了制定有效安全策略和高效算法外，研制高靈敏度傳感器和高速率計算機是解決該問題的有效方法。人機信息交互的發展目前將呈現出多樣化的特點，語音和腦機交互是未來實用的自然交互技術，以認知科學為基礎的交互模型和設計方法，是當前人機信息交互設計的重要研究方向。

（2）與遙操作技術的發展和應用緊密結合。人機協同最大的制約之一在于機器人的智能化。在惡劣的空間環境中操作，對機器人的自主性要求更高。而目前我國空間機器人的研制水平與工程應用還有較大差距。為了降低難度，在人機協同作業發展初期，機器人適宜采用遙操作控制，可以是地面遙操作也可以是在軌遙操作。

（3）充分注重在軌演示。空間環境與地面環境有較大差異，地面演示驗證也并不能完全模擬在軌情況，由此在軌演示驗證顯得尤為重要。目前我國正在開展載人航天三期工程空間站的研制。人機協同作業的發展，應充分利用這個平臺，通過在軌演示驗證，掌握相關關鍵技術。

（4）先開展艙內協同作業驗證，再進行艙外協同作業實施。艙外環境較復雜，航天員應急救生也相對困難。而密封艙內便于采取應急措施，艙內任務也可提前進行規劃。因此應當提前謀劃在空間站密封艙內開展人機協同作業驗證，掌握相關技術后，然后由航天員與艙外機械臂進行人機協同作業驗證，再次由航天員與在軌自由服務機器人進行艙外作業，為未來的地外天體表面人機協同作業奠定基礎。

（5）應當先采用人主機輔的模式。人機協同有多種模式，包括人主機輔、機主人輔、人機平等3種模式，可根據不同的任務特征進行選擇。在機器人和遙操作技術不夠完備的情況下，應當優先采用人主機輔的模式。因為人在感知、思維、執行能力具有創造性和一致性，可根據現場情況預知可能的發展趨勢，能更有效地掌控現場狀況，作業安全性相對更高。

6 結束語

空間機器人是空間站后續發展的必然趨勢，未來機器人必將在空間作業中發揮更大的作用。航天員與機器人協同開展作業任務，能有效發揮人機整體優勢，取得更高的效益。但是目前空間機器人尚未實現工程應用，空間人機協同任務面臨諸多的困難，相關研究還處于探索階段。我國若盡早深入開展空間任務人機協同作業研究，一方面可以占領空間任務人機協同作業領域的技術制高點，另一方面對我國深入開展空間科學研究、空間應用和在軌服務的發展具有重要意義，為月球基地的人機協同作業奠定技術基礎。當前我國應加強開展空間任務人機協同作業前期研究工作，對相關關鍵技術進行攻關，以盡早實現工程應用。

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（編輯：李多）

Connotation and Key Technologies of Human-robot Collaboration in Space

ZHU Enyong WEI Chuanfeng LI Zhe
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

Connotation of human-robot collaboration operation in space is put forward.Difference between human-robot collaboration and other human-robot system are analyzed，such as equality，independency and cooperation.Research on this field of all over the world is generalized，and a conclusion is get that research on human-robot collaboration is focused on human-robot interaction and top level study on human-robot collaboration is of shortage at present.Three key issues are pointed out，including assignment allocation between human and robot，human-robot interaction and human-robot safety.Some suggestions are advanced for our country's developing human-robot collaboration in space，for example，combining development with application of telerobot，paying attention to on-orbit testing and using“human protagonist robot costar”pattern at early stage and so on.

human-robot collaboration；space mission；connotation；key technologies

R857

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.015

2015-03-25；

2015-04-27

朱恩涌，男，博士，高級工程師，主要從事航天器在軌服務和總體設計工作。Email：zey4217@163.com。