機械臂遙操作任務的顯控界面的實現

趙正旭 左宗成 申躍杰 鐘謙

摘? 要： 探月工程中利用遙操作技術來控制機械臂在月面采樣有著十分重要的作用。為了保證機械臂操作人員高效的完成操作機械臂的作業，使用Autodesk 3ds max軟件建立機械臂模型，采用Qt搭建控制機械臂運動的控制界面，結合OpenSceneGraph建立虛擬仿真環境，完成整個顯控界面的搭建，通過機械臂關節的值，觀測仿真環境中機械臂的狀態。結果表明，顯控界面能夠滿足機械臂操作員精確控制機械臂的基本要求。

關鍵詞： 機械臂; 探月工程; OpenSceneGraph; 遙操作

中圖分類號：TP319? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2019）04-40-04

Abstract： In lunar exploration project， it is an important role that controls the manipulator to sample lunar soil by teleoperation. In order to make manipulator operators complete the task of controlling manipulator， the display and control interface is built by using 3ds max to create the manipulator model， and using Qt to create a control interface to control the manipulator movement， and the virtual environment is built with OpenSceneGraph. Thus the construction of the whole display and control interface is completed. By adjusting the value of manipulator's joint， the status of the manipulator in the simulation environment is observed. The test results show that the interface can meet operators' needs of controlling manipulator accurately.

Key words： manipulator; lunar exploration project; OpenSceneGraph; teleoperation

0 引言

遙操作是在上世紀六十年代由Johnson和Corle在“Teleoperator and Human Augmentation”技術報告中提出的，但是目前對遙操作的具體概念有不同的定義[1-2]。薛書騏、姜國華等人認為遙操作意指在控制回路中操作者和操作對象（末端執行器）之間相隔一定的物理距離，操作者需要根據攝像頭圖像或傳感器反饋信息等方式來對操作對象進行控制的操作[3]。美國NASA認為遙操作是一種可以實現遠距離控制的人機系統，用于開發人的反應機制、操作能力和運動動力;歐美宇航局認為遙操作是借助遙控，實現遠方接收信號的機械裝置執行相應的機械活動。

國外利用遙操作控制機械臂已經完成了很多空間探索的任務，如美國的“海盜號”在早期就完成火星表面土壤的初次采樣;之后發射的“鳳凰號”有在火星表面就地采樣并分析火壤的組成成分;“好奇號”在火星表面順利完成了收集火星表面土壤樣本、鉆石鉆孔采樣任務，并利用機械臂末端儀器對樣本進行分析。

我國探月工程分為“三步走”，分別為“繞”、“落”、“回”，目前我國已經順利完成了“繞”和“落”兩個重要階段并利用遙操作技術成功執行相關的探測任務。而最后“回”這一階段的主要任務是在月球表面進行無人采樣并安全返回地球，這一階段的成功實施將會標志著我國探月工程“三步走”計劃圓滿成功。而在整個探月工程中，遙操作技術是其中一項不可或缺的重要技術，是地面和月面通信的橋梁。如在“嫦娥三號”任務中，通過遙操作技術控制“玉兔號”分別完成了巡視器的導航定位、月面地形重構、行駛路徑規劃和機械臂探測等關鍵任務[4]。

太空環境的主要特點是微重力、高真空、強輻射，這就導致宇航員在太空這樣惡劣環境中進行作業存在著極高的不可預測的風險[5]。而采用遙操作技術控制機械臂在地外星體完成一些工作，能夠有效地規避很多未知的危險，從而減輕對宇航員的傷害。如未來我國在探月工程中利用機械臂進行無人采樣并安全返回地面，空間遙操作在其中起著至關重要的作用。

1 機械臂的三維模型創建

1.1 機械臂的組成

月面探測器主要由著陸器、上升器、軌道器和返回器組成，其中軌道器和返回器位于月面軌道處，著陸器和上升器在進行月面軟著陸時同時到達月球表面。其中機械臂位于著陸器的邊緣，同時在其附近還設有采樣罐，用于封存在月球表面采集到的土壤和鉆取到的巖石。

整個機械臂是由四個關節和四個節點組成，即四自由度機械臂，在整個機械臂的結構中，只能第一關節能控制整個機械臂改變與著陸器位置的偏移角度，在機械臂的末端設有土壤采集器，它是用于收集月面土壤的裝置。圖1是機械臂展開后的簡易結構圖。

1.2 創建機械臂三維模型

Autodesk 3ds max軟件是市場上主流的建模軟件之一，該軟件能夠通過多種方式建模，例如復合建模，多邊形建模等，在其工作界面中提供了大量的高級命令，使得建立機械臂模型能夠高效快速地完成。同時完成建模之后，它能夠導出多種格式的文件，用于不同環境下對模型的使用，能夠導出的主流格式有FBX，3DS，OBJ等。

根據上述圖1的機械臂的結構圖，利用Autodesk 3ds Max2011軟件創建機械臂的三維模型。圖2為建立機械臂模型的流程圖。

建立機械臂關節模型時，使用的命令有放樣，布爾運算等高級命令，在建立機械臂靠近關節處的節點時使用的命令有布爾運算，擠出等命令。在完成機械臂建模后，需要對模型進行紋理貼圖，保證在后期的虛擬仿真中使模型時更加真實。本研究中導出模型的文件格式為3DS，而該格式文件只能對模型的單個對象不能超過64000個面，因此在導出3DS格式前需要對模型對象的進行面數和點數的計算，若超出面數要求的范圍，需要對模型進行優化;若符合面數要求，則不需要減面而直接能導出3DS文件。在3ds max 2011軟件中提供給用戶多種減面命令，如優化、MultiRes、ProOptimizer等。

2 控制機械臂參數的程序設計

2.1 系統分析

月面探測器在執行月面采樣任務之前，需要在月面完成探測器導航定位，月面的地形重構，探測器的姿態確定等任務，而這些任務的實現都是建立在空間遙操作的基礎上，因此，遙操作技術被認為是是地月通信的橋梁。為了通過遙操作技術實現月面的無人采樣任務，系統在控制機械臂移動時需滿足以下條件：

⑴ 地面操作人員需要通過可視化界面來完成對機械臂的控制，因此需要有控制機械臂參數的控制面板，通過該面板能夠改變機械臂之間的角度;

⑵ 在控制面板中調節機械臂的參數過程中，能夠通過仿真系統查看機械臂的狀態，所以在系統中存在界面實時顯示月面探測器上機械臂的變化;

⑶ 控制機械臂參數需要操作者對如何調節各個機械臂十分熟悉，因此該系統能夠作為機械臂操作人員的練習平臺，以便再未來進行月面采樣任務時能夠提高控制機械臂的效率。

地面操作人員在執行遙操作任務過程中，需要面對月面復雜特殊的地形，這樣面臨生理和心理兩方面的壓力[6]，這會導致任務的最終結果與預期有差異。從操作員的視覺角度，顯控界面能呈現遙現場的地理信息和月面遙設備的狀態，而操作人員需通過顯控界面操控機械臂移動，改變機械臂的位置和轉動角度。

空間遙操作任務的人機交互，離不開可視化設備和對遙設備的控制兩方面。在探月工程中，可視化設備使用了計算機顯示屏，月面環境信息、月面探測器上機械臂的運動狀態等視覺信息通過機械臂攜帶的攝像頭呈現在計算機顯示屏上;對遙設備的控制采用鼠標、鍵盤或遙感等來操控探測器上機械臂的移動。

通過上述分析，可以建立顯控界面，在該界面中主要包括兩個內容，分別是月面探測器仿真顯示界面和控制機械臂參數面板。仿真顯示界面用于顯示月面探測器的位置、狀態和機械臂等實時信息，參數控制面板用于操控機械臂的移動，從而使地面操作人員完成月面無人采樣任務。

2.2 空間遙操作顯控界面的建立

月面探測器所處的月面環境具有的失重、真空、地形復雜的特點，因此通過虛擬仿真技術并結合遙操作能夠還原月面探測器在月球表面的狀態。文獻[4]中給出了月面因地形復雜、紋理不明晰的特點，所以在“嫦娥三號”任務中采用了鄰近圖像匹配和不同尺度圖像的拼接兩種方式結合完成了月面對地形重構，使用視覺定位的方式可以精確定位探測器在重構地形中的位置。因此完成上述任務需要建立遙操作顯控界面，為機械臂參數控制提供可視化基礎和平臺。

搭建控制機械臂參數的虛擬仿真環境使用Windows7下Visual Studio 2008、Qt4.7.4和OpenSceneGraph，其中使用Qt中的各種組件搭建虛擬仿真系統的界面，OpenSceneGraph里提供了各種庫，可用于對探測器模型進行渲染，控制機械臂進行移動。虛擬仿真環境是基于虛擬現實技術，為地面遙操作人員提供月面探測器的視覺信息，包括四自由度機械臂、著陸器、上升器等，同時在遙操作人員決策之前可以在該平臺中進行模擬的任務規劃，當模擬的決策符合操作員的要求時，再將相關的決策指令發送到月面的接收端，從而使機械臂的移動到預先指定的位置。

針對控制機械臂移動的面板，分別設置有文本框、角度增加＼減少、設置、重置等按鈕，這些按鈕分為四行，每一行對應機械臂的一節。圖3為使用Qt4.7.4建立的機械臂參數調節的控制面板。以鼠標和鍵盤作為輸入端，通過改變文本框中角度數值大小來調節機械臂轉動角度，同時顯示仿真環境中機械臂的變化。

2.3 遙操作操控機械臂的設計

在未來的探月工程實施時，地面有關操控人員需通過遙操作技術實現對月面著陸器上的機械臂實施控制。在對機械臂轉動的設計上要考慮單個機械臂轉需要帶動其他機械臂的轉動，所以需要在導出3ds格式文件之前需要對四個自由度機械臂的空間坐標軸進行調整。在創建機械臂模型時，默認的空間坐標軸的位置處于相對對象居中，而在調節坐標軸時需要將坐標軸放置到每個機械臂的起點處。

為了控制機械臂移動，OpenSceneGraph中提供了相應的渲染引擎，通過其中第三方庫中類提供的方法讀取3DS模型，從而在虛擬仿真環境中顯示機械臂的角度變化。在對著陸器上機械臂的控制之前，需要先將著陸器和上升器渲染在虛擬仿真環境中，之后每次通過機械臂參數控制面板改變機械臂角度時，都會對機械臂的關節進行一次渲染，從而保證在仿真環境中顯示機械臂角度變化的效果。控制機械臂運動的相關類的關系如圖4所示。

3 實驗驗證

在完成機械臂建模，搭建虛擬仿真環境及顯控界面后，需要對整個系統的功能進行測試。圖5為月面探測器在仿真環境中渲染后的結果圖，其中圖5（a）為機械臂被渲染后在仿真環境中的初始狀態，通過在機械臂控制參數面板調節值，設置機械臂角度，在關節1對應的文本框中輸入-28，機械臂1狀態為圖b所示;同理，在關節2，關節3，關節4對應輸入框中分別輸入-20，-270，0，機械臂狀態分別對應圖5（c）、圖5（d）、圖5（e）。同時，也可以通過調節機械臂控制參數面板上的“+”和“-”的按鈕對機械臂進行微調。

4 結論與展望

本系統是使用Qt軟件搭建參數控制界面，使用Autodesk 3dsmax 2014創建月面探測器的模型，同時通過OpenSceneGraph提供的第三方庫中的相關類與方法在虛擬場景中渲染月面探測器。界面整體較為簡潔，利于操作人員操作，虛擬仿真環境能夠直觀地體現機械臂的狀態。因此，系統有利于地面操作人員對探測器上機械臂操作的熟練度的提升，提高了未來月面采樣任務實施的效率。同樣，本系統中仍然存在著一些不足之處，如虛擬現實強調多感知性、浸沒感等特性，因此在后期的維護升級中，可以添加力反饋機制，結合虛擬現實頭盔，從而增強操作人員的體驗，使操作者練習使用機械臂更加趨于真實。

參考文獻（References）：

[1] 張濤，陳章，王學謙，梁斌.空間機器人遙操作關鍵技術綜述與展望[J].空間控制技術與應用，2014.40（6）：1-9，30

[2] Z. X. Zhao， T. T. Zhang， and S. Q. Wang. Research ofSpace Teleoperation Based on FreeForm and Augmented Reality Technology[J].International Journal of Automation and Control Engineering，2015.4（1）：26-29

[3] 薛書騏，姜國華，田志強，蔣婷.空間遙操作任務中顯控界面關鍵技術研究進展[J].載人航天，2014.20（5）：497-502

[4] 吳偉仁，周建亮，王保豐，劉傳凱.嫦娥三號“玉兔號”巡視器遙下操作中的關鍵技術[J].中國科學：信息科學，2014.44（4）：425-440

[5] 徐效農.空間機器人地面遙操作的關鍵技術研究[D].東南大學，2017.

[6] Chen J Y C， Haas E C， Barnes M J. Human Performance Issues and User Interface Design for Teleoperated Robots[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics Part C，2007.37（6）：1231-1245