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(shù)來控制機(jī)械臂在月面采樣有著十分重要的作用。為了保證機(jī)械臂操作人員高效的完成操作機(jī)械臂的作業(yè)，使用Autodesk 3ds max軟件建立機(jī)械臂模型，采用Qt搭建控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的控制界面，結(jié)合OpenSceneGraph建立虛擬仿真環(huán)境，完成整個(gè)顯控界面的搭建，通過機(jī)械臂關(guān)節(jié)的值，觀測(cè)仿真環(huán)境中機(jī)械臂的狀態(tài)。結(jié)果表明，顯控界面能夠滿足機(jī)械臂操作員精確控制機(jī)械臂的基本要求。

關(guān)鍵詞： 機(jī)械臂; 探月工程; OpenSceneGraph; 遙操作

中圖分類號(hào)：TP319? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：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(jì)六十年代由Johnson和Corle在“Teleoperator and Human Augmentation”技術(shù)報(bào)告中提出的，但是目前對(duì)遙操作的具體概念有不同的定義[1-2]。薛書騏、姜國(guó)華等人認(rèn)為遙操作意指在控制回路中操作者和操作對(duì)象（末端執(zhí)行器）之間相隔一定的物理距離，操作者需要根據(jù)攝像頭圖像或傳感器反饋信息等方式來對(duì)操作對(duì)象進(jìn)行控制的操作[3]。美國(guó)NASA認(rèn)為遙操作是一種可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制的人機(jī)系統(tǒng)，用于開發(fā)人的反應(yīng)機(jī)制、操作能力和運(yùn)動(dòng)動(dòng)力;歐美宇航局認(rèn)為遙操作是借助遙控，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方接收信號(hào)的機(jī)械裝置執(zhí)行相應(yīng)的機(jī)械活動(dòng)。

國(guó)外利用遙操作控制機(jī)械臂已經(jīng)完成了很多空間探索的任務(wù)，如美國(guó)的“海盜號(hào)”在早期就完成火星表面土壤的初次采樣;之后發(fā)射的“鳳凰號(hào)”有在火星表面就地采樣并分析火壤的組成成分;“好奇號(hào)”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(wù)，并利用機(jī)械臂末端儀器對(duì)樣本進(jìn)行分析。

我國(guó)探月工程分為“三步走”，分別為“繞”、“落”、“回”，目前我國(guó)已經(jīng)順利完成了“繞”和“落”兩個(gè)重要階段并利用遙操作技術(shù)成功執(zhí)行相關(guān)的探測(cè)任務(wù)。而最后“回”這一階段的主要任務(wù)是在月球表面進(jìn)行無人采樣并安全返回地球，這一階段的成功實(shí)施將會(huì)標(biāo)志著我國(guó)探月工程“三步走”計(jì)劃圓滿成功。而在整個(gè)探月工程中，遙操作技術(shù)是其中一項(xiàng)不可或缺的重要技術(shù)，是地面和月面通信的橋梁。如在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)中，通過遙操作技術(shù)控制“玉兔號(hào)”分別完成了巡視器的導(dǎo)航定位、月面地形重構(gòu)、行駛路徑規(guī)劃和機(jī)械臂探測(cè)等關(guān)鍵任務(wù)[4]。

太空環(huán)境的主要特點(diǎn)是微重力、高真空、強(qiáng)輻射，這就導(dǎo)致宇航員在太空這樣惡劣環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)存在著極高的不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)[5]。而采用遙操作技術(shù)控制機(jī)械臂在地外星體完成一些工作，能夠有效地規(guī)避很多未知的危險(xiǎn)，從而減輕對(duì)宇航員的傷害。如未來我國(guó)在探月工程中利用機(jī)械臂進(jìn)行無人采樣并安全返回地面，空間遙操作在其中起著至關(guān)重要的作用。

1 機(jī)械臂的三維模型創(chuàng)建

1.1 機(jī)械臂的組成

月面探測(cè)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(jìn)行月面軟著陸時(shí)同時(shí)到達(dá)月球表面。其中機(jī)械臂位于著陸器的邊緣，同時(shí)在其附近還設(shè)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(gè)機(jī)械臂是由四個(gè)關(guān)節(jié)和四個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，即四自由度機(jī)械臂，在整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)中，只能第一關(guān)節(jié)能控制整個(gè)機(jī)械臂改變與著陸器位置的偏移角度，在機(jī)械臂的末端設(shè)有土壤采集器，它是用于收集月面土壤的裝置。圖1是機(jī)械臂展開后的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)圖。

1.2 創(chuàng)建機(jī)械臂三維模型

Autodesk 3ds max軟件是市場(chǎng)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(fù)合建模，多邊形建模等，在其工作界面中提供了大量的高級(jí)命令，使得建立機(jī)械臂模型能夠高效快速地完成。同時(shí)完成建模之后，它能夠?qū)С龆喾N格式的文件，用于不同環(huán)境下對(duì)模型的使用，能夠?qū)С龅闹髁鞲袷接蠪BX，3DS，OBJ等。

根據(jù)上述圖1的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)圖，利用Autodesk 3ds Max2011軟件創(chuàng)建機(jī)械臂的三維模型。圖2為建立機(jī)械臂模型的流程圖。

建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)模型時(shí)，使用的命令有放樣，布爾運(yùn)算等高級(jí)命令，在建立機(jī)械臂靠近關(guān)節(jié)處的節(jié)點(diǎn)時(shí)使用的命令有布爾運(yùn)算，擠出等命令。在完成機(jī)械臂建模后，需要對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖，保證在后期的虛擬仿真中使模型時(shí)更加真實(shí)。本研究中導(dǎo)出模型的文件格式為3DS，而該格式文件只能對(duì)模型的單個(gè)對(duì)象不能超過64000個(gè)面，因此在導(dǎo)出3DS格式前需要對(duì)模型對(duì)象的進(jìn)行面數(shù)和點(diǎn)數(shù)的計(jì)算，若超出面數(shù)要求的范圍，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化;若符合面數(shù)要求，則不需要減面而直接能導(dǎo)出3DS文件。在3ds max 2011軟件中提供給用戶多種減面命令，如優(yōu)化、MultiRes、ProOptimizer等。

2 控制機(jī)械臂參數(shù)的程序設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析

月面探測(cè)器在執(zhí)行月面采樣任務(wù)之前，需要在月面完成探測(cè)器導(dǎo)航定位，月面的地形重構(gòu)，探測(cè)器的姿態(tài)確定等任務(wù)，而這些任務(wù)的實(shí)現(xiàn)都是建立在空間遙操作的基礎(chǔ)上，因此，遙操作技術(shù)被認(rèn)為是是地月通信的橋梁。為了通過遙操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)月面的無人采樣任務(wù)，系統(tǒng)在控制機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)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(duì)機(jī)械臂的控制，因此需要有控制機(jī)械臂參數(shù)的控制面板，通過該面板能夠改變機(jī)械臂之間的角度;

⑵ 在控制面板中調(diào)節(jié)機(jī)械臂的參數(shù)過程中，能夠通過仿真系統(tǒng)查看機(jī)械臂的狀態(tài)，所以在系統(tǒng)中存在界面實(shí)時(shí)顯示月面探測(cè)器上機(jī)械臂的變化;

⑶ 控制機(jī)械臂參數(shù)需要操作者對(duì)如何調(diào)節(jié)各個(gè)機(jī)械臂十分熟悉，因此該系統(tǒng)能夠作為機(jī)械臂操作人員的練習(xí)平臺(tái)，以便再未來進(jìn)行月面采樣任務(wù)時(shí)能夠提高控制機(jī)械臂的效率。

地面操作人員在執(zhí)行遙操作任務(wù)過程中，需要面對(duì)月面復(fù)雜特殊的地形，這樣面臨生理和心理兩方面的壓力[6]，這會(huì)導(dǎo)致任務(wù)的最終結(jié)果與預(yù)期有差異。從操作員的視覺角度，顯控界面能呈現(xiàn)遙現(xiàn)場(chǎng)的地理信息和月面遙設(shè)備的狀態(tài)，而操作人員需通過顯控界面操控機(jī)械臂移動(dòng)，改變機(jī)械臂的位置和轉(zhuǎn)動(dòng)角度。

空間遙操作任務(wù)的人機(jī)交互，離不開可視化設(shè)備和對(duì)遙設(shè)備的控制兩方面。在探月工程中，可視化設(shè)備使用了計(jì)算機(jī)顯示屏，月面環(huán)境信息、月面探測(cè)器上機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等視覺信息通過機(jī)械臂攜帶的攝像頭呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示屏上;對(duì)遙設(shè)備的控制采用鼠標(biāo)、鍵盤或遙感等來操控探測(cè)器上機(jī)械臂的移動(dòng)。

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(gè)內(nèi)容，分別是月面探測(cè)器仿真顯示界面和控制機(jī)械臂參數(shù)面板。仿真顯示界面用于顯示月面探測(cè)器的位置、狀態(tài)和機(jī)械臂等實(shí)時(shí)信息，參數(shù)控制面板用于操控機(jī)械臂的移動(dòng)，從而使地面操作人員完成月面無人采樣任務(wù)。

2.2 空間遙操作顯控界面的建立

月面探測(cè)器所處的月面環(huán)境具有的失重、真空、地形復(fù)雜的特點(diǎn)，因此通過虛擬仿真技術(shù)并結(jié)合遙操作能夠還原月面探測(cè)器在月球表面的狀態(tài)。文獻(xiàn)[4]中給出了月面因地形復(fù)雜、紋理不明晰的特點(diǎn)，所以在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)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(jié)合完成了月面對(duì)地形重構(gòu)，使用視覺定位的方式可以精確定位探測(cè)器在重構(gòu)地形中的位置。因此完成上述任務(wù)需要建立遙操作顯控界面，為機(jī)械臂參數(shù)控制提供可視化基礎(chǔ)和平臺(tái)。

搭建控制機(jī)械臂參數(shù)的虛擬仿真環(huán)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(tǒng)的界面，OpenSceneGraph里提供了各種庫(kù)，可用于對(duì)探測(cè)器模型進(jìn)行渲染，控制機(jī)械臂進(jìn)行移動(dòng)。虛擬仿真環(huán)境是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為地面遙操作人員提供月面探測(cè)器的視覺信息，包括四自由度機(jī)械臂、著陸器、上升器等，同時(shí)在遙操作人員決策之前可以在該平臺(tái)中進(jìn)行模擬的任務(wù)規(guī)劃，當(dāng)模擬的決策符合操作員的要求時(shí)，再將相關(guān)的決策指令發(fā)送到月面的接收端，從而使機(jī)械臂的移動(dòng)到預(yù)先指定的位置。

針對(duì)控制機(jī)械臂移動(dòng)的面板，分別設(shè)置有文本框、角度增加＼減少、設(shè)置、重置等按鈕，這些按鈕分為四行，每一行對(duì)應(yīng)機(jī)械臂的一節(jié)。圖3為使用Qt4.7.4建立的機(jī)械臂參數(shù)調(diào)節(jié)的控制面板。以鼠標(biāo)和鍵盤作為輸入端，通過改變文本框中角度數(shù)值大小來調(diào)節(jié)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)顯示仿真環(huán)境中機(jī)械臂的變化。

2.3 遙操作操控機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

在未來的探月工程實(shí)施時(shí)，地面有關(guān)操控人員需通過遙操作技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)月面著陸器上的機(jī)械臂實(shí)施控制。在對(duì)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)上要考慮單個(gè)機(jī)械臂轉(zhuǎn)需要帶動(dòng)其他機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要在導(dǎo)出3ds格式文件之前需要對(duì)四個(gè)自由度機(jī)械臂的空間坐標(biāo)軸進(jìn)行調(diào)整。在創(chuàng)建機(jī)械臂模型時(shí)，默認(rèn)的空間坐標(biāo)軸的位置處于相對(duì)對(duì)象居中，而在調(diào)節(jié)坐標(biāo)軸時(shí)需要將坐標(biāo)軸放置到每個(gè)機(jī)械臂的起點(diǎn)處。

為了控制機(jī)械臂移動(dòng)，OpenSceneGraph中提供了相應(yīng)的渲染引擎，通過其中第三方庫(kù)中類提供的方法讀取3DS模型，從而在虛擬仿真環(huán)境中顯示機(jī)械臂的角度變化。在對(duì)著陸器上機(jī)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(huán)境中，之后每次通過機(jī)械臂參數(shù)控制面板改變機(jī)械臂角度時(shí)，都會(huì)對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行一次渲染，從而保證在仿真環(huán)境中顯示機(jī)械臂角度變化的效果?？刂茩C(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的相關(guān)類的關(guān)系如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在完成機(jī)械臂建模，搭建虛擬仿真環(huán)境及顯控界面后，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試。圖5為月面探測(cè)器在仿真環(huán)境中渲染后的結(jié)果圖，其中圖5（a）為機(jī)械臂被渲染后在仿真環(huán)境中的初始狀態(tài)，通過在機(jī)械臂控制參數(shù)面板調(diào)節(jié)值，設(shè)置機(jī)械臂角度，在關(guān)節(jié)1對(duì)應(yīng)的文本框中輸入-28，機(jī)械臂1狀態(tài)為圖b所示;同理，在關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)3，關(guān)節(jié)4對(duì)應(yīng)輸入框中分別輸入-20，-270，0，機(jī)械臂狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)圖5（c）、圖5（d）、圖5（e）。同時(shí)，也可以通過調(diào)節(jié)機(jī)械臂控制參數(shù)面板上的“+”和“-”的按鈕對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行微調(diào)。

4 結(jié)論與展望

本系統(tǒng)是使用Qt軟件搭建參數(shù)控制界面，使用Autodesk 3dsmax 2014創(chuàng)建月面探測(cè)器的模型，同時(shí)通過OpenSceneGraph提供的第三方庫(kù)中的相關(guān)類與方法在虛擬場(chǎng)景中渲染月面探測(cè)器。界面整體較為簡(jiǎn)潔，利于操作人員操作，虛擬仿真環(huán)境能夠直觀地體現(xiàn)機(jī)械臂的狀態(tài)。因此，系統(tǒng)有利于地面操作人員對(duì)探測(cè)器上機(jī)械臂操作的熟練度的提升，提高了未來月面采樣任務(wù)實(shí)施的效率。同樣，本系統(tǒng)中仍然存在著一些不足之處，如虛擬現(xiàn)實(shí)強(qiáng)調(diào)多感知性、浸沒感等特性，因此在后期的維護(hù)升級(jí)中，可以添加力反饋機(jī)制，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔，從而增強(qiáng)操作人員的體驗(yàn)，使操作者練習(xí)使用機(jī)械臂更加趨于真實(shí)。

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