空間機械臂在軌維護任務規劃與驗證研究

朱 超，孔 旭，曾 磊，胡成威，王友漁，張文明

（空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

航天員艙外活動中，航天員-機械臂協同操作是載人航天工程在軌維護的關鍵技術。美國、加拿大、俄羅斯等國都相繼實現了空間機械臂在軌運行［1］，航天員還多次利用出艙活動組裝維修空間站和維護空間望遠鏡等維護維修任務［2］。伴隨著我國空間站的全面建成，未來空間操作任務的復雜性、精確性和不確定性，其在軌裝配維護離不開航天員-機械臂協同操作技術。

目前，空間維護操作的技術手段大致可以分為4 類：航天員單獨操作、單/多機械臂操作、空間機器人與航天員-機械臂協同操作。1984 年美國航天飛機搭載的連桿空間機械臂完成了衛星在軌釋放任務。1993-2009 年間美國航天員對哈勃（Hubble）空間望遠鏡前后進行5 五次艙外維修［4］。1997 年日本Engineering Test Satellite-VII 機械臂在軌成功抓捕目標衛星。國際空間站遙控操作系統（Space Station Remote Manipulator System，SSRMS）多次完成了在軌維護等任務［5］。2007 年美國空間機器人Orbital Express 完成了多次對目標衛星的在軌捕獲等任務［6］。

由于艙外作業屬于高成本、高風險且極端復雜的工作，在實施前無法通過地面試驗精確驗證，本文主要通過使用建模仿真與地面試驗，研究航天員艙外作業解決艙外維護中任務分配和運動規劃等問題。主要涉及航天員在軌維護空間機械臂的任務規劃與驗證，基于JACK 軟件建立維護任務的規劃與驗證系統，驗證航天員可達性及維修過程可操作性分析；評估航天員在軌維護機械臂設計任務的安全性與維修效率；實現基于虛擬現實的沉浸式交互能力；最后再通過地面試驗驗證維修任務。研究結果將為空間站航天員在軌維修機械臂任務提供理論基礎和技術支持

1 國際空間站機械臂調研

在國際空間站（International Space Station，ISS）的建造和全面運營階段，航天員與空間機械臂獨立或協作完成了多種在軌服務任務。從1998 年12 月-2023 年9 月，航天員與機械臂協同完成了259 次ISS 組裝和維護活動［2］，其中艙外活動時間累積1 310.85 h，平均每次時長約6.25 h。每次艙外都由2 名航天員配合進行，2007 年艙外活動頻次最高，達到23 次，詳細地統計結果如圖1 所示。

圖1 國際空間站航天員艙外活動統計Fig.1 Extravehicular activity statistics of ISS missions

在所有艙外活動中，針對在軌維護機械臂的任務，航天員共進行出艙活動9 次（圖1 紅色三角形標記所示），其中包括4 次更換機械臂末端和末端相機，3 次潤滑末端和關節，1 次更換末端回轉關節和1 次出艙完成機械臂Canadarm2 安裝并操作試驗。其中最近1 次任務是2018 年1 月23 日航天員在軌更換機械臂末端，遠征54 任務中由2 名宇航員艙外歷時7.4 h，更換了機械臂Canadarm2 的一個性能退化的末端適應器［7］，如圖2 所示。

圖2 航天員在軌維修ISS 機械臂2 的末端適應器Fig.2 Picture for astronauts in the on-orbit mission of maintaining the ISS canadarm2

2002 年6 月13 日進行的STS-111 任務第3 次艙外活動是最復雜的航天員在軌維修機械臂操作，歷時7.28 h 更換了機械臂Canadarm2 上的腕部回轉關節。在任務過程中，2 名航天員協同操作，其中1 名航天員輔助，另1 名航天員站在航天飛機機械臂末端的腳限位器工作。

綜上所述，借鑒國際空間站的經驗，我國有必要在機械臂研制階段，開展航天員在軌維修機械臂任務的研究。

2 在軌維護任務規劃系統設計

2.1 在軌維護需求分析

空間機械臂技術也是我國載人航天工程的重大關鍵技術之一。我國空間站是一個由天和、問天和巡天等多艙段組合的飛行器。空間站機械臂用于保障空間站在軌壽命期間內安全可靠運營，用于完成空間站組裝建造、運營管理、維護維修、輔助航天員活動和支持其他的空間應用等任務，是保障我國空間站運行必不可少的工具之一，也是空間站建設和維護的關鍵設備［4］。

空間機械臂的主要部件包括關節、末端執行器、肘部相機組件、腕部相機組件、中央控制器和目標適配器等。為了保障機械臂的在軌壽命，上述部件在設計時，必須考慮方便在軌維修。目前，針對機械臂的維修主要是通過在軌監控預測各部件工作情況，采用預防性維修策略，必要情況下由2 名航天員出艙對其進行維護維修。

多任務規劃、苛刻的航天員艙外活動指標給航天員在軌維護機械臂任務設計帶來巨大的挑戰。為確保航天員艙外活動指標滿足要求，需要綜合考慮工作環境的復雜多變性、航天員活動能力約束性、機械臂維護工裝，以及手持工具的局限性等要素。因此，建立航天員在軌維護機械臂任務流程規劃與驗證系統具有重要意義，可為后續艙外工作提供指導。

2.2 在軌維護規劃系統設計

航天員在軌維護空間機械臂任務，主要涉及航天員維護流程設計、備件轉移、航天員艙外搬運、航天員操作空間分析、航天員操作能力分析、維護裝置設計等方面，將航天員在軌維護機械臂流程、維護裝置操作過程進行仿真分析，使維護流程設計更加科學合理，為航天員在軌維護機械臂任務提供理論基礎和技術保證。

航天員在軌維修空間機械臂任務規劃和驗證系統總體設計如圖3 所示。1）維修任務規劃包括任務場景建模和任務設計；2）維修任務仿真包括數據采集，場景實時更新以及虛擬裝配；3）維修任務評估包括可達性分析，時效性分析，人機工效分析；4）在軌維修任務支持模塊包括航天器軌道和動力學仿真，在軌環境力學仿真；5）維修任務規劃驗證數據庫包括維修規劃與任務評估信息管理，維修過程仿真數據管理；6）仿真在線數據模塊包括虛擬現實場景實時顯示，航天器位姿數據監視，仿真數據監視，人體工效數據監視；7）模型庫包括航天員人服系統模型，機械臂模型，航天器模型和工具模型［8］。

圖3 航天員在軌維護機械臂任務驗證系統功能Fig.3 Functions of the verification system for the on-orbit manipulator maintenance missions of astronauts

2.3 在軌維護任務評估研究

由于航天員在軌維修空間機械臂任務規劃和驗證系統非常復雜，本文主要開展在軌維護任務的評估研究，包括可達性及可操作性研究、任務安全性和效率研究、虛擬現實交互研究。

2.3.1 可達性及可操作性研究

主要目標是實現基于JACK 平臺的機械臂故障部件的航天員可達性及維護過程可操作性分析。JACK 平臺負責導入模型、建立場景、制定及維護仿真的運行，基于運動學實現基礎的可達性和可操作性分析［9］。模型導入包括了空間站核心艙初樣三維模型、航天員人服分析模型、機械臂構型等。內容包括JACK 基礎模塊，該模塊按流程可分為仿真準備、仿真運行、仿真結果分析3 個子模塊。仿真準備模塊包括場景建立、模型導入、模型間約束建立、維護操作流程設計等功能，所有功能均基于JACK 軟件進行二次開發。其中，模型導入功能中導入模型包括航天員人體模型、機械臂故障構型和維護工具模型。仿真運行模塊主要實現航天員對機械臂故障維護仿真，以及數據驅動的3D 顯示功能。仿真結果分析模塊主要實現故障位置可達性分析和維護操作可達性分析功能，并提供分析結果輸出功能。

2.3.2 任務安全性和效率研究

基于已有的位置可達性及維護過程可操作性分析基礎上，在JACK 基礎功能上開發任務分析模塊，實現對航天員在軌維護機械臂任務設計的安全性評估和維護效率評估，開展時效性評估、強度預計、人體扭曲度分析、腰背脊柱受力分析［10-11］。在確保維護過程可達性與可操作性滿足指標的前提下拓展延伸，充分考慮人工操作約束分析、人體代謝能量消耗計算、維護預估時間分析、扭曲度分析、力量預測、腰脊受力分析、疲勞恢復時間分析和工作姿態分析。

2.3.3 虛擬現實交互研究

增加運動捕獲模塊，并引入了數據手套、位姿傳感器等數據輸入設備和VR 顯示器等輸出設備，實現了在系統運行過程中的維護任務流程控制和交互。同時，VR 顯示器的引入也實現了用戶的沉浸式顯示體驗，更加真實地模擬了現場維護環境。最終實現基于虛擬現實的沉浸式交互能力，建設具備人體位姿捕捉及上肢力反饋能力的機械臂虛擬維護實驗室。仿真場景中考慮光照、航天器本體及活動部件動力學、在軌環境力學等因素，進一步提升虛擬現實的真實程度［12-13］。

實現基于虛擬現實的沉浸式交互能力，建設具備人體位姿捕捉及上肢力反饋能力的機械臂虛擬維護實驗室。試驗內容包括VR 硬件設備建設、仿真數據庫的建立以及仿真監視軟件的建設。仿真數據庫主要包括模型庫和仿真數據庫兩部分，模型庫主要存儲機械臂故障構型、工具模型、航天員人體模型、航天器模型。仿真數據庫主要存儲維護工況信息和維護過程仿真數據。

3 在軌維護任務規劃系統仿真驗證

本文以夢天艙機械臂目標適配器為例開展在軌維護任務規劃系統仿真驗證。

3.1 在軌維修性設計

夢天艙機械臂目標適配器共有2 個，配合機械臂末端執行器使用，可實現機械臂對目標適配器的低沖擊、大容差、高剛度捕獲。其構型如圖4 所示，主要組成有：定位模塊、適配器快速連接機構、捕獲桿折疊機構、矩形自控電連接器模塊、電連接器密封蓋、穿艙電纜電連接器模塊、殼體結構等。

圖4 空間機械臂目標適配器三維模型Fig.4 Three-dimensional model of the space manipulator target adapter

空間機械臂目標適配器故障時，先暫停機械臂作業，通過目標適配器上的遙測信號、目標適配器視覺標記有無標記點損傷或缺失、末端執行器捕獲該目標適配器等手段開展故障目標適配器的故障定位［14-18］。若無法正常工作，按照維修更換策略，開展部件更換作業，空間機械臂配合航天員開展出艙維修工作，如圖5 所示。

圖5 目標適配器維修出艙任務規劃Fig.5 Planning of extravehicular maintenance missions for the target adapter

3.2 仿真結果

依據空間機械臂目標適配器出艙任務規劃進行詳細的流程設計，對每步操作進行維修性指標的分配，比如可達性、操作力、操作空間等指標。利用空間機械臂在軌維護任務規劃系統建立空間站、空間機械臂、航天員、維修工具等相關模型，構建完整的目標適配器維修虛擬場景，針對目標適配器維修中的典型操作（電連接器插拔、膨脹螺栓拆卸與安裝等）進行詳細的仿真分析［19-22］。如圖6 所示。

圖6 航天員維修目標適配器動作仿真圖Fig.6 Simulation for the maintenance motion of the target adapter

通過多輪仿真迭代優化，目標適配器維修中的電連接器插拔、膨脹螺栓拆卸與安裝等操作滿足航天員的可視性、可達性、可操作性、安全性等指標要求，同時確定目標適配器維修構型，形成完整的維修操作流程，最終驗證整個維修任務的合理性。

4 結束語

本文以航天員艙外維護空間機械臂為背景，建立空間站運營中航天員在軌維護機械臂的任務規劃與驗證系統，驗證了航天員可達性及維修過程可操作性，并通過該系統評估航天員在軌維護機械臂目標適配器維修設計的合理性，為后續開展航天員艙外活動訓練與實施提供理論依據。