空間站機械臂人機系統設計與驗證

朱 超，薛書騏，胡成威，王春慧，吳志紅，李德倫，譚麗芬

（1.北京空間飛行器總體設計部空間智能機器人系統技術與應用北京市重點實驗室，北京 100094；2.中國航天員科研與訓練中心人因工程全國重點實驗室，北京 100094）

0 引言

空間站機械臂人機協同作業是一項高風險、高成本、高難度任務，涉及空間站、貨船、飛船、機械臂、航天員、航天服、通信、地面指揮及支持等各大系統，需要艙內航天員、艙外航天員、地面人員等多方協同配合才能完成。

在人機協同作業過程中，由地面或艙內航天員操控機械臂并監視運動狀態，艙外航天員負責具體設備的安裝拆卸等操作，地面人員提供操作支持并進行風險預測。由于艙外作業過程復雜、協作方多、約束條件多，作業過程中航天員或航天器非常容易出現安全風險。因此，研究空間站機械臂人機系統設計對航天員出艙任務、艙內外人機協同作業具有非常重要的意義。

本文首先對國際空間站機械臂人機系統的研究現狀進行了調研，然后對天宮空間站的人機系統設計體系進行了系統介紹，最后，按照人機系統的設計流程，從管理、設計、驗證三個方面開展研究，空間站機械臂人機系統設計填補了國內空間站大型機械臂人機系統的空白，后續可作為空間站機械臂人機系統設計工作的參考。

1 國際空間機械臂人機系統組成

國際空間站布置有兩個機器人工作站，可分別控制SSRMS（Space station remote manipulator system）機械臂支持相關任務。SSRMS 人機系統［1］包括3 個提供操作視頻的顯示器，1 個提供圖形和數字信息的指揮和控制顯示器，一些由跟蹤球輸入啟動的軟鍵，2個用于輸入手動操作命令的手動控制器和1個鍵盤。手動控制器由2 個操縱桿完成，分別控制旋轉和平移。

實驗艙遠程機械臂系統JEMRMS（Japanese experiment module remote manipulator system）人機系統［2］主要由1 個管理數據處理器（MDP）、1 個機械臂控制單元（ACU）、2 個電視監視器（TVM）、1 個平移手控制器（THC）、1 個旋轉手控制器（RHC）、1 個RMS 筆記本電腦（RLT）等組成。MDP 是控制JEMRMS模式和收集遙測數據的主計算機。ACU接收手控制器的信號，計算手臂軌跡和逆運動學，并向關節發送角度命令。RLT 在圖形用戶界面（GUI）上顯示遙測信息。

歐洲機械臂ERA主要由1套艙內人機交互設備IMMI、1 套艙外人機交互設備EMMI、1 套中央控制計算機CPC、1套支撐設施和工具庫等組成［3］。ERA機械臂人機系統包括艙內人機交互設備IMMI 和艙外人機交互設備EMMI 兩部分。EVA-MMI 是一種便攜式智能終端，配有一根電纜，可插入任何ERA基點，以便對機械臂實時監測。IVA-MMI 在空間站內部提供了相同的功能，增加了圖形疊加和3D視圖等功能。

通過對國際空間站3種機械臂人機系統進行對比分析，其主要配套設備為控制器和顯示器?？刂破髦饕┖教靻T通過平動和旋轉手柄、或者軟按鍵控制機械臂運動，顯示器主要用于顯示機械臂參數以及反饋視頻圖像供航天員進行監視和綜合判斷。艙內航天員通過操作控制器對艙外的機械臂進行不同模式的運動控制，相關參數可實時反饋到顯示器上供航天員進行決策。

表1 國際空間站機械臂人機系統構成對比Table 1 Comparison of human-robot systems on the ISS

2 中國空間站機械臂人機系統體系設計

中國空間站機械臂采用7 自由度對稱構型，如圖1 所示，主要由7 個關節、2 個末端執行器、2 根臂桿、1個中央控制器、1套視覺監視與測量設備以及1套壓緊裝置等組成。其中，關節采用3個肩部關節、1個肘部關節、3個腕部關節配置方案。

圖1 中國空間站機械臂組成Fig.1 Composition of the manipulator on the China Space Station

空間機械臂人機系統設計體系，如圖2所示，主要包括人機系統管理、人機系統設計、人機系統驗證3個方面。人機系統管理梳理人機要素并開展項目規劃和功能分配，形成人機系統設計要求。人機系統設計是將人機要求轉化為人機系統設計的過程，包括人機系統構成設計、人機回路設計、操作臺設計、人機信息顯示設計和人機安全性設計［4-7］。其中，人機系統構成及回路設計主要指艙內人機和艙外人機，以及形成的顯控回路設計；操作臺設計主要指控制器、操作面板、操作手柄等設計；人機信息顯示設計包括參數信息、二維圖像信息、三維圖像信息等設計；人機安全性設計主要包括機械臂自身安全性、碰撞檢測預警安全、地面仿真與監視等設計。最后人機系統通過規劃的仿真分析、顯控回路驗證、在軌驗證等三個方面開展驗證，是檢驗整個系統是否達到規定的人機要求，保障任務成功。

圖2 空間站機械臂人機系統設計體系Fig.2 Design of human-robot system of space station manipulator

3 空間站機械臂人機系統管理

3.1 人機系統要素分析

對機械臂人機協同操作全周期的要素，比如空間站/貨船/飛船等飛行姿態、機械臂運動規劃、艙外工具使用狀態、航天員與航天服配合操作、通信鏈路、地面指揮等協同要素的逐一分析和詳細梳理，必須貫穿整個設計過程始終，才能將航天員的安全風險降到最低，保證任務順利完成。

根據航天員參與的不同任務類型，需要對人機系統要素進行梳理分析。比如，航天員只在艙內對機械臂進行控制，人機系統要素只需要考慮機械臂與空間站之間的相對姿態、通信，以及相關載荷的狀態。若航天員進行艙外活動，人機系統要素需要將空間站、機械臂、艙內航天員、艙外航天員、航天服、操作工具、操作載荷、地面通信設備等因素進行詳細考慮。

3.2 人機系統項目規劃

根據任務和操作難度不同，空間站機械臂人機協同作業分為5種類型［8-10］：

1）艙內航天員監視機械臂運動，不操作控制，艙外無人；

2）地面控制機械臂運動，艙內航天員監視機械臂運動，艙外1名航天員站于機械臂末端；

3）艙內航天員控制機械臂運動，艙外無人；

4）艙內航天員控制機械臂運動，艙外1 名航天員站于機械臂末端；

5）艙內航天員控制機械臂運動，艙外2 名航天員分別站于機械臂末端和艙壁。

3.3 人機系統功能分配

空間站機械臂人機協同作業的目標是保證航天員安全的前提下系統高效的完成既定任務。以支持航天員出艙活動為例，在人機協同作業過程中，需要結合艙內航天員、艙外航天員、地面人員的各自優勢，在任務分不同時段對人機功能進行動態分配。

正常工況下人機功能分配按如下原則進行：在預設的正常運動過程由地面控制機械臂運動，將艙外航天員運送至指定操作位置，艙內航天員進行監視；在出艙口操作或作業點操作需要微調機械臂時，轉換為艙內航天員根據艙外航天員口令控制機械臂運動，地面人員監視機械臂狀態及其周邊環境。

異常工況下人機功能分配按如下原則進行：在機械臂運動過程中艙外航天員出現身體不適或者各方發現有碰撞風險時，艙外航天員可以自行或者通知艙內進行機械臂緊急制動。機械臂停止后航天員及時通報，地面決策開展后續的故障處置工作。

3.4 人機系統設計要求

人機系統設計要求主要包括艙內和艙外設計要求兩部分。

艙外部分人機系統設計要求主要涉及航天員緊急對機械臂進行制動、沿著機械臂扶手爬行、站在機械臂末端作業、機械臂穩定運動、機械臂照明需求等5個方面［11-12］。

1）為了保證艙外航天員安全，艙外機械臂末端安裝緊急制動，可隨時按下停止機械臂；

2）當遇到機械臂出現故障后，航天員可沿著機械臂扶手爬行返回，扶手間距需滿足爬行要求；

3）機械臂末端需配套設備，保證航天員在艙外作業時姿態穩定，無大幅度晃動；

4）機械臂運動過程中，速度不應過高，保證航天員身體不會出現不適；

5）航天員艙外作業時，若無太陽光光照條件，需要機械臂提供一定的光照支持。

艙內部分人機系統設計要求，主要包括艙內設備布局、顯控回路、控制器、信息顯示、操控安全性等。

1）艙內航天員進行操控時，艙內設備布局應滿足操作的可達范圍和舒適空間；

2）艙內航天員操控時，顯控回路時延滿足小于1秒條件；

3）艙內控制器要求透明化，并保證操作認知與機械臂運動一致；

4）信息顯示包括參數信息和圖像信息，要求篩選出重要參數和相機圖像供艙內航天員監視；

5）機械臂過程中，應具備防誤操作裝置，并配備不同層次的安全保障措施。

4 空間站機械臂人機系統設計

4.1 人機系統構成

根據國際空間站機械臂人機系統調研結果，并對中國空間站機械臂人機協同作業過程進行分析，其需求主要包括：艙內航天員通過人機系統操控機械臂，并與艙外機械臂上航天員、艙壁上航天員、地面支持人員進行實時溝通，共同完成安裝艙外設施、上下機械臂、轉移至作業點、作業點調整及操作等多個出艙活動環節。因此，機械臂人機系統設計的好壞，直接決定著航天員的生命安全，也影響整個任務的成敗?？臻g站機械臂人機系統協同工作體系圖如圖3所示。

圖3 空間站機械臂人機系統協同工作體系圖Fig.3 Human-robot system collaborative work system of space station manipulator

空間站機械臂人機系統包括艙內和艙外兩部分構成，如圖4 所示。艙內部分主要為控制、監視、輔助等設施，包括1個操作臺（集成觸屏控制器和平動手柄、轉動手柄等功能）、4個智能顯示器（其中1個用于參數顯示，2 個用于艙外真實圖像顯示，1 個用于三維虛擬模型顯示）、2個輔助設備（其中1個電子手冊，1 個身體限位裝置）和1 套環境設備。艙外部分主要為支持和異常情況控制設備，包括1 個緊急制動裝置、1 套機械臂扶手、1 套末端設備和1 套成像照明設備等［13-17］。

圖4 空間站機械臂人機系統構成Fig.4 Human-robot system compositon of space station manipulator

4.2 顯控回路設計

艙內航天員通過操作臺的面板和平動/轉動手柄經過專用總線控制機械臂實現精細運動，運動后的遙測數據和艙外的圖像通過測控交換機上傳至三個智能顯示器上進行顯示，同時驅動三維模型進行實時仿真運動，供艙內航天員進行綜合判斷；站在機械臂末端的艙外航天員利用不同的輔助工具和艙內航天員交互溝通，在不同的作業點完成對目標的精細操作；而地面不僅提供操作指揮支持，而且可以進行全景相機切換、碰撞風險預測、軌道監測等操作，保證整個活動的順利進行。

4.3 操作臺設計

操作臺是機械臂的人機交互界面，航天員在操作臺上可以控制機械臂運動。航天員操作機械臂主要通過操作臺的操作面板、操作手柄配合實現，其中操作面板含硬按鍵和可觸摸電容屏。其中操作面板分8 個區設計：報警燈窗區、操作方式選擇區、操作對象選擇區、末端操作區、手柄輔助操作區、數字鍵區、緊急操作區和液晶屏快捷鍵區。

4.4 人機信息顯示設計

機械臂信息顯示包括參數信息、二維真實圖像信息、三維虛擬圖像信息顯示。其中參數信息和二維真實圖像信息均在智能顯示器上顯示，如圖6 所示。左上角智能顯示器用于四分屏顯示機械臂操作過程艙外攝像機拍攝的圖像；左下角智能顯示器用于大屏顯示具體細節圖像，供航天員操作過程的精確觀察；右下角智能顯示器用于提供航天員機械臂運行狀態的參數顯示，包括整臂狀態、關節狀態、末端狀態三部分。

圖6 空間站機械臂參數和二維圖像信息顯示布局圖Fig.6 The display layout diagram of parameter and 2D image information for space station manipulator

三維虛擬圖像信息在單獨的筆記本電腦上顯示，筆記本實時接收機械臂遙測參數，驅動當前三維場景進行實時仿真，供航天員操控時清楚識別航天器狀態、機械臂運動狀態、艙外相機狀態，最終構建整個作業場景的認知圖像，如圖7所示。

圖7 中國空間站機械臂三維圖像信息顯示Fig.7 3D image display of China space station manipulator

4.5 人機安全性設計

機械臂人機安全性從三個維度進行設計：機械臂自身安全性、碰撞檢測預警安全、地面仿真與監控。

為保證艙外航天員在機械臂末端上的安全性，設計機械臂內和筆記本內的雙重碰撞檢測機制，可在任務過程中隨時進行安全預警。機械臂內碰撞檢測主要在大范圍轉移過程中開啟，在設計安全閾值的前提下，在顯示參數頁面進行顏色變色提示，并觸發操作臺的報警，采用燈光閃爍或者蜂鳴，提示艙內航天員及時進行故障處置。筆記本內碰撞檢測模型精細化，在整個任務過程中進行安全提示，一旦出現碰撞時距離數據變成紅色，并彈框進行碰撞預警提示，艙內航天員此時若需操控，需要切換至點動模式進行操作。

地面仿真與監控方式，主要在任務前開展路徑規劃安全性仿真分析，并在任務過程中隨時監視機械臂的安全距離，一旦發現安全距離危險，可隨時中止任務。

5 空間站機械臂人機系統驗證

5.1 人機系統驗證規劃

為驗證機械臂人機系統人機功能分配合理性、設計要素全面性、設計要求合理性，需要分三個維度對機械臂人機系統開展驗證規劃，包含專項仿真驗證，地面人在回路驗證，在軌人在回路驗證三部分，如表2 所示，進行相互補充驗證，最終覆蓋整個空間站機械臂人機系統各方面［18-21］。

表2 空間站機械臂人機系統驗證規劃Table 2 Verification planning of human-robot system for space station manipulator

5.2 專項仿真驗證

利用人機工效仿真軟件，建立空間機械臂人機系統核心部件操作場景環境，如圖8所示，根據航天員在失重環境下中性體位研究，控制航天員的運動范圍和操作動作，對航天員操控機械臂動作的可視性、可達性、可操作性、安全性進行仿真分析。

圖8 人機系統布局仿真分析Fig.8 Simulation analysis of human-robot system layout

同時，機械臂運動過程需要保證航天員、機械臂與艙體的安全，避免發生碰撞事件，造成嚴重事故。因此利用機械臂規劃和干涉檢查工具開展對機械臂運動全過程的安全仿真分析，可以實現不同構型下機械臂與艙體、航天員與艙體最近距離分析，如表3所示。若出現安全風險，及時調整機械臂運動構型，或者給艙內航天員操控時限定操作距離范圍，保證協同作業的安全性。

表3 空間站機械臂人機系統安全性仿真結果Table 3 The security simulation results of human-robot system for space station manipulator

5.3 地面人在回路驗證

為在地面開展更加充分的艙內外協同操作驗證，采用人在回路的形式，分模擬環境人在回路和真實艙體環境人在回路驗證兩種方式，相互補充驗證，最終覆蓋機械臂人機系統的所有要素。

模擬環境人在回路，采用硬件操作臺和顯示器，其他采用軟件形式模擬機械臂運動學和動力學特性，模擬艙體相機圖像和機械臂圖像，模擬艙外光照、軌道等參數，模擬艙外航天員的位置關系和動作，搭建一套機械臂人機系統驗證平臺，如圖9所示，主要驗證人在回路中的系統布局、顯控回路、控制模式、信息顯示、報警與故障應急、操控認知一致性、碰撞安全風險、信息顯示充分性、任務分配合理性等。該方式的驗證需要開展機械臂任務覆蓋性分析，包括機械臂支持巡檢，機械臂支持EVA所有任務等。

圖9 空間站機械臂模擬環境人在回路驗證場景Fig.9 Display and control loop scene verification of humanrobot for space station manipulator

圖10 空間站機械臂真實艙體環境人在回路驗證場景Fig.10 Display and control loop scene verification of humanrobot for space station manipulator

真實艙體環境人在回路，采用人著服進入艙體內部進行機械臂操控，開啟艙內照明、振動、聲音等環境，通過典型的單個巡檢任務和支持EVA 任務設計，與艙外的航天員進行溝通協同，共同完成任務，重點驗證各系統接口設計合理性、艙內設備布局、艙內環境設計、多方協同溝通流暢性，以及在模擬環境人在回路中驗證充分性和合理性，驗證結果如表4所示。

5.4 在軌人在回路驗證

由于天地差異影響，地面搭建的機械臂人機驗證場景無法進行有效驗證，需要在軌根據真實任務進行多次驗證，主要驗證其系統布局、顯控回路、操控模式、人機界面等的合理性。在軌驗證時，由地面或艙內航天員操控機械臂并監視運動狀態，艙外航天員負責具體設備的安裝拆卸等操作，地面人員提供操作支持并進行風險預測，具體驗證情況和場景如圖11所示。

圖11 空間站機械臂人機系統在軌驗證場景Fig.11 On-orbit verification scene of the human-robot system for space station manipulator

通過4 次在軌艙外活動人在回路驗證，采用艙外航天員指揮，艙內航天員以默認步長的末端點動模式對機械臂實現多次移動控制，驗證結果未發生安全事件，說明機械臂人機系統的設計是正確的、合理的。

6 結論

通過對國際空間站機械臂人機系統設計情況的調研，以及我國空間站機械臂人機協同作業需求，開展了空間站機械臂人機系統設計與驗證實現。本文根據工程實踐總結的經驗，建立了空間站機械臂人機系統“管理-設計-驗證”的全周期人機設計體系，通過人機項目規劃、人機功能分配等管理要素，針對性地開展了空間機械臂人機系統詳細設計，最后，從仿真分析、地面驗證、在軌驗證三大方面對人機系統進行了全要素全流程的驗證。設計的機械臂人機系統成功應用于在軌艙外活動，保障了航天員乘組的安全，也為后續空間站機械臂人機系統的設計與驗證提供了體系借鑒和工程指導。