基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，包括操作者行為感知子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)；操作者行為感知子系統(tǒng)用于采集操作者的操作行為信息，將該操作行為映射為空間機(jī)器人的操作行為，并通過模擬天地通信鏈路將該操作行為傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)，由空間操作地面模擬子系統(tǒng)中的模擬服務(wù)星復(fù)現(xiàn)操作者行為，對(duì)模擬目標(biāo)星實(shí)施相應(yīng)操作行為；空間操作模擬子系統(tǒng)通過天地通信鏈路將空間狀態(tài)信息通過模擬天地通信鏈路傳遞到空間狀態(tài)顯示器，空間狀態(tài)顯示器將該空間狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為三維立體圖形，實(shí)時(shí)渲染后將該圖形信息傳遞給操作者。本發(fā)明可以較為完整、真實(shí)地驗(yàn)證基于人在回路的空間操作技術(shù)。
【專利說明】
基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及航天器在軌服務(wù)技術(shù)領(lǐng)域，具體說涉及一種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]航天器在軌服務(wù)是指在空間通過人、機(jī)器人或者兩者協(xié)同完成涉及延長(zhǎng)各種航天器壽命、提升執(zhí)行任務(wù)能力的一類空間操作。
[0003]為降低在軌服務(wù)技術(shù)研究與開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)和成本，在地面建立一套技術(shù)驗(yàn)證系統(tǒng)從而驗(yàn)證在軌服務(wù)技術(shù)的可行性，成為一種必然的選擇。針對(duì)各自的技術(shù)路線，約翰遜航天中心JSC(Johnson Space Center)建立了一套基于全尺寸動(dòng)力學(xué)實(shí)物模型的地面驗(yàn)證系統(tǒng)開展遙操作試驗(yàn)，戈達(dá)德航天中心GSFC(Goddard Space Flight Center)設(shè)計(jì)了在軌服務(wù)遙操作測(cè)試系統(tǒng)，支持在軌服務(wù)空間操作的軟硬件測(cè)試。麻省理工大學(xué)和海軍研究生院建立了基于氣浮系統(tǒng)的地面試驗(yàn)平臺(tái)，馬里蘭大學(xué)則采用了水浮試驗(yàn)系統(tǒng)來模擬空間的微重力環(huán)境。德國(guó)宇航中心DLR通過地球同步軌道數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星ARTEMIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，設(shè)立了一套基于天地通信鏈路的在軌服務(wù)遙操作地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其中空間操作機(jī)器人和被操作目標(biāo)分別通過一個(gè)七自由度的機(jī)械臂進(jìn)行仿真，操作員通過提供視覺臨場(chǎng)感的浸入式虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔和提供觸覺臨場(chǎng)感的力覺反饋裝置感受遠(yuǎn)端環(huán)境進(jìn)行操作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]與傳統(tǒng)的直接控制和雙邊控制遙操作不同，本發(fā)明針對(duì)力覺前饋式的基于人在回路的空間操作技術(shù)路線，提供一種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)。通過該試驗(yàn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)操作員行為特征提取、臨場(chǎng)感獲取、天地通信鏈路時(shí)延模擬以及微重力環(huán)境下空間操作仿真等功能，為下一步的在軌操作實(shí)驗(yàn)提供全方位的地面驗(yàn)證。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]—種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，包括操作者行為感知子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng);人機(jī)交互子系統(tǒng)包括模擬天地通信鏈路和空間狀態(tài)顯示器;空間操作地面模擬子系統(tǒng)包括模擬服務(wù)星、模擬目標(biāo)星以及氣浮裝置；
[0007]所述操作者行為感知子系統(tǒng)用于采集操作者的操作行為信息，然后通過模擬天地通信鏈路將該操作行為信息傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)，由空間操作地面模擬子系統(tǒng)中的模擬服務(wù)星復(fù)現(xiàn)操作者行為，對(duì)模擬目標(biāo)星實(shí)施相應(yīng)操作行為;空間操作模擬子系統(tǒng)通過天地通信鏈路將空間狀態(tài)信息通過模擬天地通信鏈路傳遞到空間狀態(tài)顯示器，空間狀態(tài)顯示器將該空間狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為三維立體圖形，實(shí)時(shí)渲染后將該圖形信息傳遞給操作者。
[0008]本發(fā)明中，所述操作者行為感知子系統(tǒng)包括行為感知計(jì)算機(jī)、操作者手部行為感知模塊和操作者臂部行為感知模塊；
[0009]操作者手部行為感知模塊通過表面肌電信號(hào)傳感器采集操作者手腕位置的肌電信號(hào)獲取操作信息，行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的操作者手勢(shì)識(shí)別算法對(duì)操作手勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的判讀，從而得到操作員的操作手勢(shì)信息；
[0010]操作者臂部行為感知模塊包括操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元和操作員操作力感知單元，所述操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元實(shí)時(shí)采集操作員臂部的位置信息獲取手臂的實(shí)時(shí)位姿；所述操作員操作力感知單元實(shí)時(shí)采集操作員臂部的表面肌電信號(hào)后通過操作力提取算法獲得操作者的操作力信息；
[0011]操作者手部行為感知模塊輸出的操作手勢(shì)信息、操作者臂部行為感知模塊輸出的手臂實(shí)時(shí)位姿信息以及操作力信息通過模擬天地通信鏈路傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明中，所述操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元包括電磁跟蹤傳感器、天線以及信號(hào)處理器，若干個(gè)電磁跟蹤傳感器固定在操作者手臂的不同的位置，電磁跟蹤傳感器接收由天線發(fā)出的電磁信號(hào)，由信號(hào)處理器獲取兩者的相位差得到電磁跟蹤傳感器相對(duì)于天線的笛卡爾空間下的位姿，電磁跟蹤傳感器的位姿傳遞給行為感知計(jì)算機(jī)，由行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的臂部運(yùn)動(dòng)感知算法解算出操作者的手臂位姿；
[0013]操作員操作力感知單元包括若干個(gè)布置在操作者手臂上的操作力感知肌電腕表，操作力感知肌電腕表采集操作員臂部的表面肌電信號(hào)并將該信號(hào)船體給行為感知計(jì)算機(jī)，行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的操作力感知算法獲得操作者的操作力信息。
[0014]本發(fā)明中，所述模擬天地通信鏈路由兩條互為備份的通信鏈路組成，一路通過光纖連接操作者行為感知子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)，一路通過無線方式連接操作者行為感知子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)，兩者可切換。
[0015]本發(fā)明中，所述的空間操作地面模擬子系統(tǒng)包括空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)、模擬服務(wù)星、模擬目標(biāo)星、大理石氣浮平臺(tái)；空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收所述操作者行為感知子系統(tǒng)輸出的操作行為信息，并將該信息無線傳輸給模擬服務(wù)星，控制模擬服務(wù)星其空間機(jī)械臂實(shí)施對(duì)模擬目標(biāo)星的故障帆板模擬裝置的故障解除操作;所述模擬服務(wù)星包括模擬服務(wù)星本體以及模擬服務(wù)星氣浮裝置，模擬服務(wù)星氣浮裝置產(chǎn)生浮力使模擬服務(wù)星本體懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上;所述模擬目標(biāo)星包括模擬目標(biāo)星本體以及模擬目標(biāo)星氣浮裝置，模擬目標(biāo)星氣浮裝置產(chǎn)生浮力使模擬目標(biāo)星本體懸浮在大理石氣浮平臺(tái)，以此來模擬空間微重力環(huán)境。
[0016]模擬服務(wù)星用于模擬具有在軌操作和服務(wù)能力的航天器，所述模擬服務(wù)星上設(shè)置有空間機(jī)械臂，其通過測(cè)量模擬目標(biāo)星之間的相對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)模擬服務(wù)星向模擬目標(biāo)星的自主逼近和交會(huì)對(duì)接，交會(huì)對(duì)接完成后，模擬服務(wù)星接收來自操作者行為感知子系統(tǒng)的操作行為信息，空間機(jī)械臂模擬操作者的操作行為進(jìn)行模擬目標(biāo)星的在軌故障解除操作。
[0017]所述模擬目標(biāo)星用于模擬具有在軌故障的航天器，所述模擬目標(biāo)星上設(shè)置有故障帆板模擬裝置，其作用是模擬帆板由于連接鉸鏈卡住而無法展開的故障，從而給模擬服務(wù)星實(shí)施在軌故障解除操作提供對(duì)象。帆板在發(fā)射時(shí)處于收攏狀態(tài)，發(fā)射入軌后再打開。所以，本發(fā)明故障帆板模擬裝置模擬的故障是，帆板入軌后無法展開的故障。一般故障的發(fā)生原因的是，帆板之間的連接鉸鏈卡住了。
[0018]本發(fā)明中，模擬服務(wù)星氣浮裝置包括儲(chǔ)存有壓縮氣體的氣瓶，所述氣瓶通過輸氣管路連接氣足，氣足將氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣噴出產(chǎn)生推力進(jìn)而將模擬服務(wù)星懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上，模擬微重力環(huán)境。
[0019]模擬目標(biāo)星氣浮裝置包括儲(chǔ)存有壓縮氣體的氣瓶，所述氣瓶通過輸氣管路連接氣足，氣足將氣瓶?jī)?nèi)的壓縮氣體噴出產(chǎn)生推力進(jìn)而將模擬目標(biāo)星懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上，模擬微重力環(huán)境。
[0020]本發(fā)明中，在模擬服務(wù)星氣浮裝置以及模擬目標(biāo)星氣浮裝置中的氣瓶與氣足之間的輸氣管路上設(shè)置有緩沖集氣模塊、截止閥、減壓閥、進(jìn)氣閥以及放氣閥，貯存于氣瓶中的高壓氣體，經(jīng)過截止閥、減壓閥，通過輸氣管路到達(dá)緩沖集氣模塊后，經(jīng)氣足排出，產(chǎn)生浮力從而抵消模擬衛(wèi)星所受重力。
[0021]通過以上發(fā)明設(shè)計(jì)，基于人在回路的空間操作地面演示驗(yàn)證系統(tǒng)可以較為完整、真實(shí)地驗(yàn)證基于人在回路的空間操作技術(shù)，為下一步空間在軌技術(shù)實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0022]圖1是基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)示意圖。
[0023]圖2是操作者行為感知子系統(tǒng)示意圖。
[0024]圖3是人機(jī)交互子系統(tǒng)示意圖。
[0025]圖4是空間操作地面模擬子系統(tǒng)示意圖。
[0026]圖中:
[0027]1、操作者行為感知子系統(tǒng)；2、模擬天地通信鏈路;3、空間狀態(tài)顯示器;4、空間操作地面模擬子系統(tǒng);5、電磁跟蹤傳感器;6、感知肌電腕表;7、天線;8、信號(hào)處理器;9、行為感知計(jì)算機(jī);10、操作者；11、1#監(jiān)控?cái)z像頭；12、2#監(jiān)控?cái)z像頭；13、1#交換機(jī);14、1#光纖轉(zhuǎn)發(fā)器；15、2#交換機(jī)；16、2#光纖轉(zhuǎn)發(fā)器；17、1#無線網(wǎng)橋；18、1#天線；19、2#天線；20、2#無線網(wǎng)橋;21、大理石氣浮平臺(tái)；22、模擬目標(biāo)星本體;23、模擬服務(wù)星本體;24、氣浮裝置;25、空間機(jī)械臂；26、故障帆板模擬裝置;27、視覺導(dǎo)航相機(jī);28、光學(xué)靶標(biāo);29、無線通信模塊;30、空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī);31、模擬服務(wù)星;32、模擬目標(biāo)星;33、手勢(shì)識(shí)別腕表。
【具體實(shí)施方式】
[0028]為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0029]如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，由操作者行為感知子系統(tǒng)1、人機(jī)交互子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)4組成。其中人機(jī)交互子系統(tǒng)由模擬天地通信鏈路2和空間狀態(tài)顯示器3組成。全系統(tǒng)的工作流程如下:操作者行為感知子系統(tǒng)I提取操作者行為特征后，將該操作行為映射為空間機(jī)器人的操作行為，通過模擬天地通信鏈路2將該行為傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)4，由空間操作地面模擬子系統(tǒng)4中的模擬服務(wù)星復(fù)現(xiàn)操作者行為，對(duì)模擬目標(biāo)星實(shí)施操作，解除故障帆板模擬裝置的故障?？臻g操作模擬子系統(tǒng)通過天地通信鏈路將空間狀態(tài)信息包括模擬服務(wù)星和模擬目標(biāo)星的位姿信息、圖像信息以及力信息等通過模擬天地通信鏈路2傳遞到空間狀態(tài)顯示器2，空間狀態(tài)顯示器2通過虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等將該狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為三維立體圖形，實(shí)時(shí)渲染后將該圖形信息傳遞給操作者。操作者沉浸在臨場(chǎng)感視覺中進(jìn)行操作。
[0030]圖2是操作者行為感知子系統(tǒng)示意圖。操作者行為感知子系統(tǒng)由操作者手部行為感知模塊和操作者臂部行為感知模塊兩部分組成。操作者手部行為感知模塊主要是由操作者手勢(shì)識(shí)別腕表33和安裝在行為感知計(jì)算機(jī)9內(nèi)的手勢(shì)識(shí)別算法組成。操作者手勢(shì)識(shí)別腕表33具體是指一種基于肌電信號(hào)的操作者手勢(shì)識(shí)別腕表，該腕表通過表面肌電信號(hào)(sEMG)傳感器采集操作者的肌電信號(hào)獲取操作信息，通過操作者手勢(shì)識(shí)別算法對(duì)操作手勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的判讀，從而得到操作員的操作手勢(shì)。
[0031]手勢(shì)識(shí)別腕表33提取操作者的肌電信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，傳遞給行為感知計(jì)算機(jī)9，通過手勢(shì)識(shí)別算法給出當(dāng)前的操作手勢(shì)。
[0032]操作者臂部運(yùn)動(dòng)感知模塊由電磁跟蹤傳感器5、天線7以及信號(hào)處理器8構(gòu)成。一定數(shù)目的電磁跟蹤傳感器5根據(jù)分布在不同的位置固連在人的手臂上，該傳感器接收由天線7發(fā)出的電磁信號(hào)，由信號(hào)處理器8取兩者的相位差得到傳感器5相對(duì)于天線7的笛卡爾空間下的位姿，傳感器的位姿傳遞給行為感知計(jì)算機(jī)9，由行為感知計(jì)算機(jī)9通過預(yù)裝的臂部運(yùn)動(dòng)感知算法解算出操作者10的手臂位姿。操作者臂部操作力感知模塊是由若干個(gè)以布置在操作者10手臂上的操作力感知肌電腕表6以及預(yù)裝在行為感知計(jì)算機(jī)9內(nèi)的操作力感知算法軟件組成，其工作原理與操作者手部行為感知裝置類似，但由于操作力感知肌電腕表6的布置位置以及感知算法的不同，這里提取的是操作者10臂部的操作力信息，從而實(shí)現(xiàn)了操作力的前饋，避免了由于力信息反饋導(dǎo)致的遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。以上信息均通過人機(jī)交互子系統(tǒng)2傳遞到空間操作地面模擬子系統(tǒng)4中。
[0033]圖3是人機(jī)交互子系統(tǒng)示意圖，是對(duì)圖1中模擬天地通信鏈路2的展開。所述的人機(jī)交互子系統(tǒng)主要由模擬天地通信鏈路和空間狀態(tài)顯示器組成。模擬天地通信鏈路由兩條互為備份的通信鏈路組成，一路通過光纖連接操作者行為感知子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)，一路通過無線方式連接，兩者可切換?？臻g狀態(tài)顯示器作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)組件，通過一個(gè)圖形工作站連接在操作者行為感知子系統(tǒng)端的交換機(jī)上。所述的人機(jī)交互子系統(tǒng)為系統(tǒng)提供信息傳遞和視覺臨場(chǎng)感服務(wù)。本實(shí)施例中，分別布置在空間操作模擬子系統(tǒng)端的1#交換機(jī)13和操作者行為感知子系統(tǒng)端的2#交換機(jī)15通過1#光纖轉(zhuǎn)發(fā)器14和2#光纖轉(zhuǎn)發(fā)器16分別經(jīng)兩路通信鏈路進(jìn)行連接。一路通過兩芯單模光纖直接連接；另一路通過兩芯單模光纖連接室外的1#無線網(wǎng)橋17和2#無線網(wǎng)橋20，經(jīng)過天線饋線，通過兩路天線(1#天線18和2#天線19)進(jìn)行連接?？臻g操作模擬子系統(tǒng)端和操作者行為感知子系統(tǒng)端均布置有1#監(jiān)控?cái)z像頭11和2#監(jiān)控?cái)z像頭12，有1#監(jiān)控?cái)z像頭11和2#監(jiān)控?cái)z像頭12分別與1#交換機(jī)13和2#交換機(jī)15相連。
[0034]圖4所示的空間操作地面模擬子系統(tǒng)由空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)30、模擬服務(wù)星31、模擬目標(biāo)星32和大理石氣浮平臺(tái)21等組成。所述模擬服務(wù)星31包括模擬服務(wù)星本體23以及氣浮裝置24，模擬服務(wù)星氣浮裝置24產(chǎn)生浮力使模擬服務(wù)星本體23懸浮在大理石氣浮平臺(tái)21上。所述模擬目標(biāo)星32包括模擬目標(biāo)星本體22以及氣浮裝置24，氣浮裝置24產(chǎn)生浮力使模擬目標(biāo)星本體22懸浮在大理石氣浮平臺(tái)21，以此來模擬空間微重力環(huán)境。所述的模擬服務(wù)星以及服務(wù)星衛(wèi)星本體由結(jié)構(gòu)電池一體化分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)以及測(cè)控分系統(tǒng)等組成，其中模擬服務(wù)星的有效載荷為空間機(jī)械臂25，模擬服務(wù)星的有效載荷為故障帆板模擬裝置26。所述的模擬目標(biāo)星和服務(wù)星可通過推進(jìn)分系統(tǒng)和姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)完成自主交會(huì)對(duì)接模擬實(shí)驗(yàn)。所述的模擬服務(wù)星的空間機(jī)械臂通過對(duì)所述的模擬目標(biāo)星的故障帆板模擬裝置展開操作，打開故障帆板，完成在軌服務(wù)技術(shù)演示驗(yàn)證任務(wù)。
[0035]氣浮裝置24由氣瓶、緩沖集氣模塊、截止閥、減壓閥、進(jìn)氣閥、放氣閥、氣足、氣路管線等組成，其工作原理如下:貯存于氣浮裝置氣瓶中的高壓氣體，經(jīng)過截止閥、減壓閥，通過氣路管線到達(dá)緩沖集氣模塊后，經(jīng)氣足排出，產(chǎn)生浮力從而抵消模擬衛(wèi)星所受重力。
[0036]模擬服務(wù)星的衛(wèi)星本體23中的有效載荷空間機(jī)械臂如圖4中的25所示，模擬目標(biāo)星衛(wèi)星本體23中的有效載荷故障帆板模擬裝置如圖4中的26所示。空間操作任務(wù)開始后，模擬服務(wù)星通過視覺導(dǎo)航相機(jī)27觀測(cè)模擬目標(biāo)星的光學(xué)靶標(biāo)28實(shí)時(shí)獲取模擬服務(wù)星31相對(duì)于模擬目標(biāo)星32的相對(duì)位姿，通過姿態(tài)與軌道控制分系統(tǒng)完成與目標(biāo)星的自主交會(huì)對(duì)接。交會(huì)對(duì)接完成后，接收經(jīng)由空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)30和無線通信模塊29轉(zhuǎn)發(fā)的操作行為信息，開展帆板故障解除實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開始后，空間機(jī)械臂25對(duì)故障帆板模擬裝置26實(shí)施操作，完成故障帆板的展開操作，利用該操作任務(wù)，可以驗(yàn)證空間遙操作技術(shù)的可行性，為實(shí)際的空間在軌操作任務(wù)奠定基礎(chǔ)。
[0037]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該提出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，包括操作者行為感知子系統(tǒng)、人機(jī)交互子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng);人機(jī)交互子系統(tǒng)包括模擬天地通信鏈路和空間狀態(tài)顯示器；空間操作地面模擬子系統(tǒng)包括模擬服務(wù)星、模擬目標(biāo)星以及氣浮裝置； 所述操作者行為感知子系統(tǒng)用于采集操作者的操作行為信息，然后通過模擬天地通信鏈路將該操作行為信息傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)，由空間操作地面模擬子系統(tǒng)中的模擬服務(wù)星復(fù)現(xiàn)操作者行為，對(duì)模擬目標(biāo)星實(shí)施相應(yīng)操作行為；空間操作模擬子系統(tǒng)通過天地通信鏈路將空間狀態(tài)信息通過模擬天地通信鏈路傳遞到空間狀態(tài)顯示器，空間狀態(tài)顯示器將該空間狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為三維立體圖形，實(shí)時(shí)渲染后將該圖形信息傳遞給操作者。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，所述操作者行為感知子系統(tǒng)包括行為感知計(jì)算機(jī)、操作者手部行為感知模塊和操作者臂部行為感知模塊； 操作者手部行為感知模塊通過表面肌電信號(hào)傳感器采集操作者手腕位置的肌電信號(hào)獲取操作信息，行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的操作者手勢(shì)識(shí)別算法對(duì)操作手勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的判讀，從而得到操作員的操作手勢(shì)信息； 操作者臂部行為感知模塊包括操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元和操作員操作力感知單元，所述操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元實(shí)時(shí)采集操作員臂部的位置信息獲取手臂的實(shí)時(shí)位姿;所述操作員操作力感知單元實(shí)時(shí)采集操作員臂部的表面肌電信號(hào)后通過操作力提取算法獲得操作者的操作力信息； 操作者手部行為感知模塊輸出的操作手勢(shì)信息、操作者臂部行為感知模塊輸出的手臂實(shí)時(shí)位姿信息以及操作力信息通過模擬天地通信鏈路傳遞給空間操作地面模擬子系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，所述操作員臂部運(yùn)動(dòng)感知單元包括電磁跟蹤傳感器、天線以及信號(hào)處理器，若干個(gè)電磁跟蹤傳感器固定在操作者手臂的不同的位置，電磁跟蹤傳感器接收由天線發(fā)出的電磁信號(hào)，由信號(hào)處理器獲取兩者的相位差得到電磁跟蹤傳感器相對(duì)于天線的笛卡爾空間下的位姿，電磁跟蹤傳感器的位姿傳遞給行為感知計(jì)算機(jī)，由行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的臂部運(yùn)動(dòng)感知算法解算出操作者的手臂位姿； 操作員操作力感知單元包括若干個(gè)布置在操作者手臂上的操作力感知肌電腕表，操作力感知肌電腕表采集操作員臂部的表面肌電信號(hào)并將該信號(hào)船體給行為感知計(jì)算機(jī)，行為感知計(jì)算機(jī)通過預(yù)裝的操作力感知算法獲得操作者的操作力信息。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，所述模擬天地通信鏈路由兩條互為備份的通信鏈路組成，一路通過光纖連接操作者行為感知子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)，一路通過無線方式連接操作者行為感知子系統(tǒng)和空間操作地面模擬子系統(tǒng)，兩者可切換。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，所述的空間操作地面模擬子系統(tǒng)包括空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)、模擬服務(wù)星、模擬目標(biāo)星、大理石氣浮平臺(tái)；空間操作監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收所述操作者行為感知子系統(tǒng)輸出的操作行為信息，并將該信息無線傳輸給模擬服務(wù)星，控制模擬服務(wù)星其空間機(jī)械臂實(shí)施對(duì)模擬目標(biāo)星的故障帆板模擬裝置的故障解除操作;所述模擬服務(wù)星包括模擬服務(wù)星本體以及模擬服務(wù)星氣浮裝置，模擬服務(wù)星氣浮裝置產(chǎn)生浮力使模擬服務(wù)星本體懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上;所述模擬目標(biāo)星包括模擬目標(biāo)星本體以及模擬目標(biāo)星氣浮裝置，模擬目標(biāo)星氣浮裝置產(chǎn)生浮力使模擬目標(biāo)星本體懸浮在大理石氣浮平臺(tái)，以此來模擬空間微重力環(huán)境； 模擬服務(wù)星用于模擬具有在軌操作和服務(wù)能力的航天器，所述模擬服務(wù)星上設(shè)置有空間機(jī)械臂，其通過測(cè)量模擬目標(biāo)星之間的相對(duì)位姿，實(shí)現(xiàn)模擬服務(wù)星向模擬目標(biāo)星的自主逼近和交會(huì)對(duì)接，交會(huì)對(duì)接完成后，模擬服務(wù)星接收來自操作者行為感知子系統(tǒng)的操作行為信息，空間機(jī)械臂模擬操作者的操作行為進(jìn)行模擬目標(biāo)星的在軌故障解除操作； 所述模擬目標(biāo)星用于模擬具有在軌故障的航天器，所述模擬目標(biāo)星上設(shè)置有故障帆板模擬裝置，其作用是模擬帆板由于連接鉸鏈卡住而無法展開的故障，從而給模擬服務(wù)星實(shí)施在軌故障解除操作提供對(duì)象。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，模擬服務(wù)星氣浮裝置包括儲(chǔ)存有壓縮氣體的氣瓶，所述氣瓶通過輸氣管路連接氣足，氣足將氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣噴出產(chǎn)生推力進(jìn)而將模擬服務(wù)星懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上，模擬微重力環(huán)境； 模擬目標(biāo)星氣浮裝置包括儲(chǔ)存有壓縮氣體的氣瓶，所述氣瓶通過輸氣管路連接氣足，氣足將氣瓶?jī)?nèi)的壓縮氣體噴出產(chǎn)生推力進(jìn)而將模擬目標(biāo)星懸浮在大理石氣浮平臺(tái)上，模擬微重力環(huán)境。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于人在回路的空間遙操作技術(shù)地面驗(yàn)證系統(tǒng)，其特征在于，在模擬服務(wù)星氣浮裝置以及模擬目標(biāo)星氣浮裝置中的氣瓶與氣足之間的輸氣管路上設(shè)置有緩沖集氣模塊、截止閥、減壓閥、進(jìn)氣閥以及放氣閥，貯存于氣瓶中的高壓氣體，經(jīng)過截止閥、減壓閥，通過輸氣管路到達(dá)緩沖集氣模塊后，經(jīng)氣足排出，產(chǎn)生浮力從而抵消模擬衛(wèi)星所受重力。
【文檔編號(hào)】G06F3/01GK106055107SQ201610396740
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月7日
【發(fā)明人】李東旭, 范才智, 劉望, 孟云鶴, 李思侃, 郝瑞
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)