面向空間機械臂操作的力反饋手柄設(shè)計

邱新安 馬動濤 朱博 魏志明 王世佳

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000)

中國空間站機械臂系統(tǒng)的艙內(nèi)部分為機械臂提供數(shù)據(jù)、指令、操作控制保障[1]，其艙外部分是機械臂本體，由核心艙機械臂(Core Module Manipulator，CMM)和實驗艙機械臂(Experimental Module Manipulator，EMM)組成[2]。艙外惡劣的太空環(huán)境不利于航天員直接操控機械臂，所以，航天員利用艙內(nèi)操控手柄來完成對艙外空間機械臂的操作控制是較好的選擇。但我國空間機械臂長度可達15 m[3]，操控過程中存在大量的觀察死角，利用機械臂上的腕部相機、肘部相機等也難以覆蓋；同時，受制于視覺信息的傳輸速度和采集精度，單一的視覺交互通道限制了航天員完成專業(yè)任務(wù)的效果、效率和安全性。為了更好的操控空間機械臂，提高任務(wù)執(zhí)行的效率，力反饋手柄應(yīng)運而生。它不僅可以向空間機械臂傳送姿態(tài)、位置、速度和力等多種信息來控制其位置與運動，還可以將空間機械臂與環(huán)境交互的力/力矩信息再現(xiàn)并作用于航天員的手部，產(chǎn)生力覺臨場感，較好的輔助航天員控制空間機械臂完成作業(yè)任務(wù)[4]。這種實時操作的連續(xù)性、直接性和力覺臨場感，為航天員與空間機械臂建立了一種緊密的動態(tài)耦合，使得操控機械臂變得更加方便。因此，開展基于空間機械臂操作的力反饋手柄設(shè)計具有重要意義。

目前，研制成功并投入使用的空間機械臂有空間站遙操作機械臂系統(tǒng)(Space Station Remote Manipulator System，SSRMS)[5]、歐洲機械臂(European Robotic Arm，ERA)[6]以及日本實驗艙遙控機械臂系統(tǒng)(Japanese Experiment Module Remote Manipulator System，JEMRMS)[7]。其操作控制終端為一對安裝在艙內(nèi)控制臺上的三自由度手柄[8]，均不具備力反饋功能。國內(nèi)外公開發(fā)表的文獻[9-15]中均未提及諸如空間艙內(nèi)力覺交互設(shè)備的具體設(shè)計及驗證情況。

基于我國空間站建設(shè)中對力反饋手柄的研制需求，本文結(jié)合未來中國空間站機械臂執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)和精細動作過程中所面臨的機械臂操作控制問題，對空間機械臂操控手柄的機構(gòu)和控制方法進行了分析、研究，旨在設(shè)計一套三自由度力反饋手柄，以期更加方便地操控機械臂，提高機械臂執(zhí)行任務(wù)時的操作效率，促進空間機械臂系統(tǒng)在我國空間站工程中的應(yīng)用。

1 手柄系統(tǒng)設(shè)計

三自由度力反饋手柄作為航天員與機械臂之間一個重要的人機接口，主要用來實現(xiàn)對機械臂單關(guān)節(jié)、肘部相機云臺及末端執(zhí)行器的操作。圖1為手柄系統(tǒng)方案框圖，包括控制單元、電機、光編及手柄機構(gòu)。操作者通過操作手柄末端來施加運動，角位移傳感器檢測到運動信息，將信息傳輸?shù)娇刂茊卧刂茊卧僮骺臻g機械臂按照一定的運動規(guī)律實現(xiàn)對末端執(zhí)行器的位置與姿態(tài)調(diào)節(jié)；同時，末端執(zhí)行器的狀態(tài)特征通過控制器解算，將反饋力特征轉(zhuǎn)化為手柄內(nèi)電機的驅(qū)動信號，電機輸出反饋力矩通過手柄作用在人手上。

圖1 手柄系統(tǒng)方案框圖Fig.1 Block diagram of the handle system

2 手柄系統(tǒng)中的機構(gòu)設(shè)計

力反饋手柄的機構(gòu)決定了手柄的操作靈活性、工作空間及傳力性能，合理的機構(gòu)設(shè)計是力反饋手柄設(shè)計極其關(guān)鍵的一步。基于空間機械臂的姿態(tài)控制需求，為更加真實地完成對機械臂末端或關(guān)節(jié)的運動操作，選取了一種可繞空間固定坐標系轉(zhuǎn)動的三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)作為空間機械臂操作的力反饋手柄機構(gòu)方案。

2.1 球面并聯(lián)機構(gòu)

球面并聯(lián)機構(gòu)具有3個轉(zhuǎn)動自由度，由靜平臺、動平臺和3條運動支鏈組成，每條支鏈由2個連桿和3個轉(zhuǎn)動副組成，3條運動支鏈相同。靜平臺即為機架，控制其運動的電機與光編可安裝于機架上，動平臺通常與操作手柄相連，由操作者手持帶動其運動。如圖2所示，動平臺可以繞鉸鏈中心O點三維轉(zhuǎn)動，具有較小的工作空間，很高的穩(wěn)定性、剛度、承載力，而且慣量小，動力特性好，能很好地滿足空間特殊環(huán)境的應(yīng)用需求。

圖2 球面并聯(lián)機構(gòu)Fig.2 Spherical parallel mechanism

2.2 構(gòu)型分析

圖3 球面并聯(lián)機構(gòu)的D-H坐標系Fig.3 D-H coordinate system of spherical parallel mechanism

設(shè)動平臺末端的手柄角速度為ω1，安裝于機架的驅(qū)動關(guān)節(jié)角速度為ω2，定義球面并聯(lián)機構(gòu)的速度映射關(guān)系為

H1ω1=H2ω2

(1)

其中，

(2)

式中：H1為第一類雅克比矩陣，H2為第二類雅克比矩陣。

設(shè)球面機構(gòu)的速度雅克比矩陣為J，則ω2=Jω1，帶入式(1)中可得

(3)

手柄機構(gòu)的靈活度作為其運動性能的重要指標，可以衡量機構(gòu)遠離奇異點的程度，其值可以體現(xiàn)手柄的綜合傳動性能。參考文獻[16]的方法，手柄的靈活度指標ξ可由球面并聯(lián)機構(gòu)的雅可比矩陣的條件數(shù)倒數(shù)求得

ξ=1/κ(J)

(4)

雅可比矩陣的條件數(shù)為大于等于1的數(shù)，當為1時，手柄末端位姿對應(yīng)的機構(gòu)運動學(xué)逆解唯一，其對應(yīng)的靈活度為1；當趨于無窮大時，該手柄末端位姿對應(yīng)的機構(gòu)雅克比矩陣奇異，其對應(yīng)的靈活度為0。

設(shè)手柄末端的活動半徑為r，α為手柄末端繞Y軸轉(zhuǎn)動的角度，β為手柄末端繞Z軸轉(zhuǎn)動的角度，一旦α、β確定，手柄末端的位置即可確定。本文用一組α、β值代表手柄末端的一個位姿，由球面并聯(lián)機構(gòu)的特征可知，手柄末端的位置必然在圖4所建立的球面上，對應(yīng)的α∈[-l，l](0

圖4 手柄末端工作空間示意圖Fig.4 Schematic diagram of the working space at the end of the handle

由此可得手柄末端在工作空間內(nèi)的全域靈活度指標為

(5)

由文獻[17]的研究分析可知，針對球面并聯(lián)機構(gòu)，獲取機構(gòu)傳力性能最優(yōu)的條件是向量u、v、w彼此正交，即運動支鏈的3個轉(zhuǎn)動副軸線方向滿足正交條件，由此可得α1=90°，α2=90°。

在滿足機構(gòu)傳力性能最優(yōu)的基礎(chǔ)上，為了獲取全域靈活度ψ的最大值，構(gòu)建β1-β2空間，經(jīng)過計算分析，當β1=β2=54°時，全域靈活度指標取得極大值ψmax=0.890 6，如圖5所示。

圖5 β1、β2取值對全域靈活度的影響Fig.5 Effect of β1 and β2values on global flexibility

由此可確定球面并聯(lián)機構(gòu)連桿的構(gòu)型參數(shù)為α1=90°，α2=90°，β1=54°，β2=54°。

為兼顧手柄的整體剛度、強度及盡可能小的質(zhì)量、尺寸，同時避免連桿之間的運動干涉。該方案采用異化連桿設(shè)計，如圖6所示，連架桿與連桿各自兩端的轉(zhuǎn)動副到轉(zhuǎn)動中心的距離均不同，由靜平臺到動平臺端逐漸減小。

圖6 連架桿(藍)與連桿(紅)的構(gòu)型設(shè)計Fig.6 Configuration design of the link rod (blue) and connecting rod (red)

連架桿與連桿確定的基礎(chǔ)上，在機架上配合設(shè)計安裝電機與編碼器的固定機構(gòu)，及由大小繩輪組成的傳動機構(gòu)，組成靜平臺；在動平臺一端設(shè)計中心架與手柄相連。由此組成手柄的機構(gòu)設(shè)計，如圖7所示。

圖7 手柄三維模型圖Fig.7 3D model of the handle

3 控制單元設(shè)計

3.1 手柄控制方案

手柄控制功能主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集、電機的伺服控制、力控制及數(shù)據(jù)交互通信。該單元須保證數(shù)據(jù)采集和運動控制的實時性。人體能夠感覺到的變化頻率在300 Hz以上，手柄作為力覺交互設(shè)備，其采樣頻率和數(shù)據(jù)處理應(yīng)滿足實時性要求。設(shè)計中采樣頻率設(shè)定為1000 Hz，可以保證舒適的力覺交互感覺，控制單元功能框圖如圖8所示。

圖8 控制單元功能框圖Fig.8 Control unit functional block diagram

其控制原理如圖9所示。控制模塊采集球面機構(gòu)的3個驅(qū)動關(guān)節(jié)的角度值，經(jīng)力反饋模塊解算出球面機構(gòu)的有益力，生成手柄3臺電機的驅(qū)動力矩，通過對電機當前電流進行比例積分(PI)調(diào)節(jié)，并采集當前電機軸光編值以正弦波驅(qū)動方式驅(qū)動球面機構(gòu)3電機轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)手柄力反饋作用。

圖9 手柄控制架構(gòu)框圖Fig.9 Block diagram of the handle control architecture

3.2 電機控制策略

手柄電機控制采用空間矢量脈寬調(diào)制控制方式(SVPWM)實現(xiàn)三自由永磁同步電機的力矩控制，如圖10所示。傳感器采集三相靜止坐標系下的電流值(ia、ib)，通過克拉克(Clark)變換得到兩相靜止坐標系下的電流值(iα、iβ)，再通過帕克(Park)變換轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電流值(Id、Iq)。為跟蹤手柄末端位置，調(diào)節(jié)手柄力矩，力反饋模塊解算出當前手柄電機力矩控制參考電流Iqref(Id的參考電流Idref=0)，跟蹤給定電流(力矩)，進行電流(力矩)閉環(huán)PI調(diào)節(jié)控制，得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的參考電壓ud、uq，再經(jīng)過Park逆變換計算出兩相靜止坐標系下的參考電壓uα、uβ，經(jīng)SVPWM發(fā)生器產(chǎn)生三相全橋逆變器6路開關(guān)通斷時間，觸發(fā)逆變器開關(guān)管控制三相逆變器繞組電流，即可實現(xiàn)空間矢量脈寬調(diào)制力矩閉電機控制。

圖10 手柄電機控制框圖Fig.10 Block diagram of the handle motor control

3.3 反饋力的控制策略

手柄作為力覺交互設(shè)備為操作者提供的反饋力主要包括以下3種。

(1)有益阻力：通過有益阻力來減弱人手在精細操作時的抖動，同時將有益阻力與機械臂末端的運動速度或位置映射設(shè)計成線性關(guān)系，提高操作的效率。

(2)狀態(tài)感知：操作者通過手柄獲取機械臂的工作狀態(tài)，當機械臂運動過程中發(fā)生振動或抖動時，可通過正弦式的反饋力來感知。

(3)交互感受：操作者通過手柄感受機械臂與未知環(huán)境的交互狀態(tài)，包括機械臂與周圍環(huán)境相作用發(fā)生的碰撞、接觸和摩擦等。

根據(jù)反饋力輸出的需求，采用阻抗控制模式的控制方法，當檢測到操作者的輸入運動后，通過位置解算及當前機械臂的遙測信息生成反饋力輸出給操作員，手柄反饋力的控制如圖11所示。

圖11 反饋力控制框圖Fig.11 Feedback force control block diagram

4 試驗驗證

為驗證力反饋手柄對空間機械臂操作的有效性，組建了一套基于空間任務(wù)的七自由度機械臂的虛擬模型場景，通過操作力反饋手柄來完成機械臂末端的位置控制，其半實物仿真平臺如圖12所示。

圖12 空間任務(wù)模擬試驗Fig.12 Space mission simulation test

首先，操作手柄控制機械臂末端向艙體移動，機械臂的速度與運動方向受手柄偏移零位的偏移量和方向控制。當機械臂末端靠近艙體時，增加有益阻力以輔助完成艙體的捕獲。當飛船捕獲時，力反饋手柄通過輸出振動提示信號，示意捕獲成功，如圖13所示。

圖13 手柄控制機械臂抓取艙體圖Fig.13 Handle controls the manipulator to grasp the cabin

當捕獲完成后，控制艙體向空間站的對接口移動，當對接艙口軸線方向與飛船對接艙口軸線方向一致時，手柄輸出振動提示信號，警示操作者飛船姿態(tài)調(diào)整完畢，可操作飛船向空間站主體移動。其對接過程可通過輸出狀態(tài)感知、交互感受等反饋力，讓操作者感受到對接中的狀態(tài)，以此來實現(xiàn)精細操作完成艙體的對接，如圖14所示。

圖14 手柄控制機械臂完成艙體對接Fig.14 Handle controls the manipulator to complete the docking of the cabin

為了盡量減少人為因素的干擾，隨機邀請了7位無經(jīng)驗操作者通過手柄來模擬執(zhí)行上述艙體對接任務(wù)。將試驗分為兩個部分進行：第一部分采用帶力反饋功能的手柄執(zhí)行任務(wù)；第二部分是取消手柄的力反饋功能去執(zhí)行任務(wù)，分別記錄這7位操作者完成任務(wù)所需的時間。試驗結(jié)果分布如圖15所示，試驗表明：7位操作者在引入力反饋的狀態(tài)感知功能后，完成操作任務(wù)所需的時間明顯減少；而取消力反饋功能后，僅依靠視覺信息來執(zhí)行任務(wù)，7位操作者所用的平均時間是帶力反饋功能時操作時間的2.6倍。通過對7位操作者執(zhí)行任務(wù)后的采訪，操作者一致認為力反饋手柄讓執(zhí)行任務(wù)的過程變得更加簡單，操作過程也更為真實，操作狀態(tài)更為可控。這也較好地說明了力反饋手柄在操作機械臂執(zhí)行任務(wù)時能夠極大地提高操作效率，有效的增強臨場感。

圖15 手柄模擬任務(wù)完成的時間Fig.15 Time for completing handle simulation task

5 結(jié)論

本文以空間機械臂的人機交互操作為需求，依托球面并聯(lián)機構(gòu)，通過對機構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)分析與電控方案設(shè)計，完成一種三自由度力反饋手柄的設(shè)計。通過組建半物理仿真平臺來模擬手柄操作機械臂執(zhí)行任務(wù)的過程，對設(shè)計的力反饋手柄的操作性能進行有無力反饋下的操作對比，并進行了定量分析與評價，得出如下結(jié)論。

(1)三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)在滿足力學(xué)性能最優(yōu)的條件下，其全域靈活度可達0.890 6，良好的動力特性和較高穩(wěn)定度，小巧、靈活、便捷的人機交互接口，可作為三自由度力反饋手柄的運動機構(gòu)應(yīng)用到空間機械臂的操控中。

(2)力反饋手柄數(shù)據(jù)采集和運動控制的實時性讓空間機械臂操作具有良好的力覺交互感受，通過對手柄有無力覺交互功能的試驗驗證，受試者在模擬執(zhí)行任務(wù)中無力反饋功能所用的平均時間是帶力反饋功能時操作時間的2.6倍。力反饋手柄的應(yīng)用，提高了機械臂執(zhí)行任務(wù)時的操作效率；同時，手柄執(zhí)行任務(wù)時增加有益阻力的方式減弱了人手的抖動，提高了空間機械臂執(zhí)行精細動作的能力，讓執(zhí)行任務(wù)的過程變得更加簡單。

(3)力反饋技術(shù)的應(yīng)用可較好地輔助航天員操控空間機械臂，多維的交互通道將成為空間機械臂操控的發(fā)展方向，也將有利于空間機械臂系統(tǒng)在我國空間站工程中的應(yīng)用。