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机械臂遥操作任务的显控界面的实现

范文

赵正旭左宗成申跃杰钟谦

摘? 要：探月工程中利用遥操作技术来控制机械臂在月面采样有着十分重要的作用。为了保证机械臂操作人员高效的完成操作机械臂的作业，使用Autodesk 3ds max软件建立机械臂模型，采用Qt搭建控制机械臂运动的控制界面，结合OpenSceneGraph建立虚拟仿真环境，完成整个显控界面的搭建，通过机械臂关节的值，观测仿真环境中机械臂的状态。结果表明，显控界面能够满足机械臂操作员精确控制机械臂的基本要求。

关键词：机械臂; 探月工程; OpenSceneGraph; 遥操作

中图分类号：TP319? ? ? ? ? 文献标志码：A? ? ? 文章编号：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

遥操作是在上世纪六十年代由Johnson和Corle在“Teleoperator and Human Augmentation”技术报告中提出的，但是目前对遥操作的具体概念有不同的定义[1-2]。薛书骐、姜国华等人认为遥操作意指在控制回路中操作者和操作对象（末端执行器）之间相隔一定的物理距离，操作者需要根据摄像头图像或传感器反馈信息等方式来对操作对象进行控制的操作[3]。美国NASA认为遥操作是一种可以实现远距离控制的人机系统，用于开发人的反应机制、操作能力和运动动力;欧美宇航局认为遥操作是借助遥控，实现远方接收信号的机械装置执行相应的机械活动。

国外利用遥操作控制机械臂已经完成了很多空间探索的任务，如美国的“海盗号”在早期就完成火星表面土壤的初次采样;之后发射的“凤凰号”有在火星表面就地采样并分析火壤的组成成分;“好奇号”在火星表面顺利完成了收集火星表面土壤样本、钻石钻孔采样任务，并利用机械臂末端仪器对样本进行分析。

我国探月工程分为“三步走”，分别为“绕”、“落”、“回”，目前我国已经顺利完成了“绕”和“落”两个重要阶段并利用遥操作技术成功执行相关的探测任务。而最后“回”这一阶段的主要任务是在月球表面进行无人采样并安全返回地球，这一阶段的成功实施将会标志着我国探月工程“三步走”计划圆满成功。而在整个探月工程中，遥操作技术是其中一项不可或缺的重要技术，是地面和月面通信的桥梁。如在“嫦娥三号”任务中，通过遥操作技术控制“玉兔号”分别完成了巡视器的导航定位、月面地形重构、行驶路径规划和机械臂探测等关键任务[4]。

太空环境的主要特点是微重力、高真空、强辐射，这就导致宇航员在太空这样恶劣环境中进行作业存在着极高的不可预测的风险[5]。而采用遥操作技术控制机械臂在地外星体完成一些工作，能够有效地规避很多未知的危险，从而减轻对宇航员的伤害。如未来我国在探月工程中利用机械臂进行无人采样并安全返回地面，空间遥操作在其中起着至关重要的作用。

1 机械臂的三维模型创建

1.1 机械臂的组成

月面探测器主要由着陆器、上升器、轨道器和返回器组成，其中轨道器和返回器位于月面轨道处，着陆器和上升器在进行月面软着陆时同时到达月球表面。其中机械臂位于着陆器的邊缘，同时在其附近还设有采样罐，用于封存在月球表面采集到的土壤和钻取到的岩石。

整个机械臂是由四个关节和四个节点组成，即四自由度机械臂，在整个机械臂的结构中，只能第一关节能控制整个机械臂改变与着陆器位置的偏移角度，在机械臂的末端设有土壤采集器，它是用于收集月面土壤的装置。图1是机械臂展开后的简易结构图。

1.2 创建机械臂三维模型

Autodesk 3ds max软件是市场上主流的建模软件之一，该软件能够通过多种方式建模，例如复合建模，多边形建模等，在其工作界面中提供了大量的高级命令，使得建立机械臂模型能够高效快速地完成。同时完成建模之后，它能够导出多种格式的文件，用于不同环境下对模型的使用，能够导出的主流格式有FBX，3DS，OBJ等。

根据上述图1的机械臂的结构图，利用Autodesk 3ds Max2011软件创建机械臂的三维模型。图2为建立机械臂模型的流程图。

建立机械臂关节模型时，使用的命令有放样，布尔运算等高级命令，在建立机械臂靠近关节处的节点时使用的命令有布尔运算，挤出等命令。在完成机械臂建模后，需要對模型进行纹理贴图，保证在后期的虚拟仿真中使模型时更加真实。本研究中导出模型的文件格式为3DS，而该格式文件只能对模型的单个对象不能超过64000个面，因此在导出3DS格式前需要对模型对象的进行面数和点数的计算，若超出面数要求的范围，需要对模型进行优化;若符合面数要求，则不需要减面而直接能导出3DS文件。在3ds max 2011软件中提供给用户多种减面命令，如优化、MultiRes、ProOptimizer等。

2 控制机械臂参数的程序设计

2.1 系统分析

月面探测器在执行月面采样任务之前，需要在月面完成探测器导航定位，月面的地形重构，探测器的姿态确定等任务，而这些任务的实现都是建立在空间遥操作的基础上，因此，遥操作技术被认为是是地月通信的桥梁。为了通过遥操作技术实现月面的无人采样任务，系统在控制机械臂移动时需满足以下条件：

⑴ 地面操作人员需要通过可视化界面来完成对机械臂的控制，因此需要有控制机械臂参数的控制面板，通过该面板能够改变机械臂之间的角度;

⑵ 在控制面板中调节机械臂的参数过程中，能够通过仿真系统查看机械臂的状态，所以在系统中存在界面实时显示月面探测器上机械臂的变化;

⑶ 控制机械臂参数需要操作者对如何调节各个机械臂十分熟悉，因此该系统能够作为机械臂操作人员的练习平台，以便再未来进行月面采样任务时能够提高控制机械臂的效率。

地面操作人员在执行遥操作任务过程中，需要面对月面复杂特殊的地形，这样面临生理和心理两方面的压力[6]，这会导致任务的最终结果与预期有差异。从操作员的视觉角度，显控界面能呈现遥现场的地理信息和月面遥设备的状态，而操作人员需通过显控界面操控机械臂移动，改变机械臂的位置和转动角度。

空间遥操作任务的人机交互，离不开可视化设备和对遥设备的控制两方面。在探月工程中，可视化设备使用了计算机显示屏，月面环境信息、月面探测器上机械臂的运动状态等视觉信息通过机械臂携带的摄像头呈现在计算机显示屏上;对遥设备的控制采用鼠标、键盘或遥感等来操控探测器上机械臂的移动。

通过上述分析，可以建立显控界面，在该界面中主要包括两个内容，分别是月面探测器仿真显示界面和控制机械臂参数面板。仿真显示界面用于显示月面探测器的位置、状态和机械臂等实时信息，参数控制面板用于操控机械臂的移动，从而使地面操作人员完成月面无人采样任务。

2.2 空间遥操作显控界面的建立

月面探测器所处的月面环境具有的失重、真空、地形复杂的特点，因此通过虚拟仿真技术并结合遥操作能够还原月面探测器在月球表面的状态。文献[4]中给出了月面因地形复杂、纹理不明晰的特点，所以在“嫦娥三号”任务中采用了邻近图像匹配和不同尺度图像的拼接两种方式结合完成了月面对地形重构，使用视觉定位的方式可以精确定位探测器在重构地形中的位置。因此完成上述任务需要建立遥操作显控界面，为机械臂参数控制提供可视化基础和平台。

搭建控制机械臂参数的虚拟仿真环境使用Windows7下Visual Studio 2008、Qt4.7.4和OpenSceneGraph，其中使用Qt中的各种组件搭建虚拟仿真系统的界面，OpenSceneGraph里提供了各种库，可用于对探测器模型进行渲染，控制机械臂进行移动。虚拟仿真环境是基于虚拟现实技术，为地面遥操作人员提供月面探测器的视觉信息，包括四自由度机械臂、着陆器、上升器等，同时在遥操作人员决策之前可以在该平台中进行模拟的任务规划，当模拟的决策符合操作员的要求时，再将相关的决策指令发送到月面的接收端，从而使机械臂的移动到预先指定的位置。

针对控制机械臂移动的面板，分别设置有文本框、角度增加＼减少、设置、重置等按钮，这些按钮分为四行，每一行对应机械臂的一节。图3为使用Qt4.7.4建立的机械臂参数调节的控制面板。以鼠标和键盘作为输入端，通过改变文本框中角度数值大小来调节机械臂转动角度，同时显示仿真环境中机械臂的变化。

2.3 遥操作操控机械臂的设计

在未来的探月工程实施时，地面有关操控人员需通过遥操作技术实现对月面着陆器上的机械臂实施控制。在对机械臂转动的设计上要考虑单个机械臂转需要带动其他机械臂的转动，所以需要在导出3ds格式文件之前需要对四个自由度机械臂的空间坐标轴进行调整。在创建机械臂模型时，默认的空间坐标轴的位置处于相对对象居中，而在调节坐标轴时需要将坐标轴放置到每个机械臂的起点处。

为了控制机械臂移动，OpenSceneGraph中提供了相应的渲染引擎，通过其中第三方库中类提供的方法读取3DS模型，从而在虚拟仿真环境中显示机械臂的角度变化。在对着陆器上机械臂的控制之前，需要先将着陆器和上升器渲染在虚拟仿真环境中，之后每次通过机械臂参数控制面板改变机械臂角度时，都会对机械臂的关节进行一次渲染，从而保证在仿真环境中显示机械臂角度变化的效果。控制机械臂运动的相关类的关系如图4所示。

3 实验验证

在完成机械臂建模，搭建虚拟仿真环境及显控界面后，需要对整个系统的功能进行测试。图5为月面探测器在仿真环境中渲染后的结果图，其中图5（a）为机械臂被渲染后在仿真环境中的初始状态，通过在机械臂控制参数面板调节值，设置机械臂角度，在关节1对应的文本框中输入-28，机械臂1状态为图b所示;同理，在关节2，关节3，关节4对应输入框中分别输入-20，-270，0，机械臂状态分别对应图5（c）、图5（d）、图5（e）。同时，也可以通过调节机械臂控制参数面板上的“+”和“-”的按钮对机械臂进行微调。

4 结论与展望

本系统是使用Qt软件搭建参数控制界面，使用Autodesk 3dsmax 2014创建月面探测器的模型，同时通过OpenSceneGraph提供的第三方库中的相关类与方法在虚拟场景中渲染月面探测器。界面整体较为简洁，利于操作人员操作，虚拟仿真环境能够直观地体现机械臂的状态。因此，系统有利于地面操作人员对探测器上机械臂操作的熟练度的提升，提高了未来月面采样任务实施的效率。同样，本系统中仍然存在着一些不足之处，如虚拟现实强调多感知性、浸没感等特性，因此在后期的维护升级中，可以添加力反馈机制，结合虚拟现实头盔，从而增强操作人员的体验，使操作者练习使用机械臂更加趋于真实。

参考文献（References）：

[1] 张涛，陈章，王学谦，梁斌.空间机器人遥操作关键技术综述与展望[J].空间控制技术与应用，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] 薛書骐，姜国华，田志强，蒋婷.空间遥操作任务中显控界面关键技术研究进展[J].载人航天，2014.20（5）：497-502

[4] 吴伟仁，周建亮，王保丰，刘传凯.嫦娥三号“玉兔号”巡视器遥下操作中的关键技术[J].中国科学：信息科学，2014.44（4）：425-440

[5] 徐效农.空间机器人地面遥操作的关键技术研究[D].东南大学，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

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