CN113421470A - 一种空间机械臂遥操作仿真训练***及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种空间机械臂遥操作仿真训练***及方法，该***包括：仿真训练交互设备、仿真训练服务器、空间机械臂数字模拟器以及训练导调评估子***；仿真训练交互设备用于接收操作人员输入的空间机械臂控制信息；仿真训练服务器，用于根据空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令以及预测运行数据；空间机械臂数字模拟器，用于根据空间机械臂控制指令生成实际运行数据，并将实际运行数据发送给仿真训练服务器；训练导调评估子***，用于对训练过程以及训练项目管理进行规划得到规划结果，以及根据规划结果和实际运行数据确定训练效果。本申请解决了现有技术不能满足操作人员对空间机械臂遥操作控制训练需求的技术问题。

Description

一种空间机械臂遥操作仿真训练***及方法

技术领域

本申请涉及空间机械臂仿真技术领域，尤其涉及一种空间机械臂遥操作仿真训练***及方法。

背景技术

空间机械臂是空间站建造和在轨运营过程中的最主要舱外活动部件，具备一体化的空间感知、机动和操作能力，能够通过在轨操作、地面遥操作或自主操作方式承担航天器的在轨装配、观测与检查、故障模块更换、在轨加注、消耗载荷更换和补充、轨道清理、轨道转移等空间站任务，还能够辅助航天员出舱，对航天员进行远距离运送，辅助航天员完成各类舱外任务。因此，对于空间机械臂操控的正确性和准确性直接决定了空间站***能否正常运转和舱段对接、航天员出舱等任务能否顺利实施。由于空间站核心舱机械臂结构复杂、操控专业性强、规划与控制难度大，对地面遥操作人员的***认知、规划和操控等能力提出很高要求。为了提高地面遥操作人员对空间机械臂***的认知、规划和操控等能力，通常地面遥操作人员通过空间机械臂操作仿真训练***来进行***专业化的遥操作训练。

目前，常见的空间机械臂操作仿真训练***仅具备遥控指令与注入数据译码及上下行遥测与数传数据仿真方面能力，主要用于地面遥操作***联调联试数据模拟，无法支持地面遥操作人员的空间机械臂操控训练。因此亟需构建一套仿真训练***，以提升岗位人员空间机械臂操控能力，满足未来空间站机械臂在轨运营阶段遥操作岗位人员的操控培训需求。

发明内容

本申请解决的技术问题是：针对现有技术不能满足操作人员对空间机械臂遥操作控制训练的需求。本申请提供了一种空间机械臂遥操作仿真训练***及方法，本申请实施例所提供的方案中，通过在空间机械臂操作仿真训练***中设置仿真训练交互设备、仿真训练服务器、空间机械臂数字模拟器以及训练导调评估子***，实现操作人员对空间机械臂遥操作训练需求。

第一方面，本申请实施例提供一种空间机械臂遥操作仿真训练***，该***包括：仿真训练交互设备、仿真训练服务器、空间机械臂数字模拟器以及训练导调评估子***；其中，

所述仿真训练交互设备，用于接收操作人员输入空间机械臂控制信息，并将所述空间机械臂控制信息发送给所述仿真训练服务器，以及接收并显示所述仿真训练服务器发送的空间机械臂预测运行数据和空间机械臂实际运行数据；

所述仿真训练服务器，用于根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，将所述空间机械臂控制指令发送给所述空间机械臂数字模拟器，以及根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，接收所述空间机械臂数字模拟器发送的所述实际运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估；

所述空间机械臂数字模拟器，用于根据所述空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据，并将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器；

所述训练导调评估子***，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程以及训练项目管理进行规划得到规划结果，以及接收所述实际运行数据，并根据所述规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

本申请实施例所提供的方案中，在空间机械臂操作仿真训练***中，通过仿真训练交互设备将操作人员输入的空间机械臂控制信息发送给仿真训练服务器，然后，仿真训练服务器根据接收的空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令以及根据空间机械臂控制信息模拟仿真得到空间机械臂的预测运行数据，然后空间机械臂数字模拟器根据所述空间机械臂控制指令模拟执行操作任务，得到空间机械臂的实际运动数据，最后，训练导调评估子***根据训练以及任务管理的规划结果以及对实际运行数据进行分析确定训练效果。因此，本申请实施例所提供的方案中，通过在空间机械臂操作仿真训练***中设置仿真训练交互设备、仿真训练服务器、空间机械臂数字模拟器以及训练导调评估子***，实现操作人员对空间机械臂遥操作训练需求。

可选地，所述仿真训练服务器包括：收发单元、空间机械臂规划与验证单元以及控制监视效果与评估单元；其中，

所述收发单元，用于接收用户通过所述仿真训练交互设备输入的所述空间机械臂控制信息，接收所述空间机械臂数字模拟器发送的所述实际运行数据，并将所述实际运行数据和所述预测运行数据发送给所述仿真训练交互设备；

所述空间机械臂规划与验证单元，用于根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，并根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令；

所述控制监视效果与评估单元，用于根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

可选地，所述控制监视效果与评估单元包括：空间机械臂状态预测仿真子模块、空间机械臂控制效果预示子模块；其中，

所述空间机械臂状态预测仿真子模块，用于根据所述空间机械臂控制指令以及预设的空间机械臂动力学模型仿真模拟生成所述预测运行数据；

所述空间机械臂控制效果预示子模块，用于对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

可选地，所述空间机械臂数字模拟器，包括：解析单元、操作控制仿真单元以及反馈单元；其中，

所述解析单元，用于将接收的所述空间机械臂控制指令进行格式转换，得到转换后的空间机械臂控制指令，其中，所述转换后的空间机械臂控制指令能够被所述操作控制仿真单元识别；

所述操作控制仿真单元，用于根据所述转换后的空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据；

所述反馈单元，用于将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器。

可选地，所述训练导调评估子***包括人员管理模块、项目管理模块以及评估模块；其中，

所述人员管理模块，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程进行规划得到训练人员规划结果；

所述项目管理模块，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对训练项目管理进行规划得到训练项目规划结果；

所述评估模块，用于从所述仿真训练服务器读取所述实际运行数据，以及根据所述训练人员规划结果、所述训练项目规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

第二方面，本申请实施例提供一种空间机械臂遥操作仿真训练方法，应用于上述第一方面所述的***，该方法包括：

接收操作人员通过仿真训练交互设备输入的空间机械臂控制信息，并根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令；

将所述空间机械臂控制指令发送给空间机械臂数字模拟器，以及接收所述空间机械臂数字模拟器基于所述空间机械臂控制指令反馈的空间机械臂的实际运行数据；

根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成空间机械臂的预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

可选地，根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，包括：

根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，得到所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果；

根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令。

可选地，对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估，包括：对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

第三方面，本申请提供一种仿真训练服务器，该仿真训练服务器，包括：

存储器，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器，用于执行存储器中存储的指令执行第二方面所述的方法。

第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行第二方面所述的方法。

附图说明

图1为本申请实施例所提供的一种空间机械臂遥操作仿真训练***的结构示意图。

图2为本申请实施例所提供的一种仿真训练服务器的结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种空间机械臂数字模拟器的结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种训练导调评估子***的结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的一种综合评价指标体系的结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的一种空间机械臂遥操作仿真训练方法的流程示意图；

图7为本申请实施例所提供的一种仿真训练服务器的结构示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供的方案中，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1，本申请实施例提供了一种空间机械臂遥操作仿真训练***，该系包括：仿真训练交互设备1、仿真训练服务器2、空间机械臂数字模拟器3以及训练导调评估子***4；其中，

所述仿真训练交互设备1，用于接收操作人员输入空间机械臂控制信息，并将所述空间机械臂控制信息发送给所述仿真训练服务器2，以及接收并显示所述仿真训练服务器2发送的空间机械臂预测运行数据和空间机械臂实际运行数据；

所述仿真训练服务器2，用于根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，将所述空间机械臂控制指令发送给所述空间机械臂数字模拟器3，以及根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，接收所述空间机械臂数字模拟器3发送的所述实际运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估；

所述空间机械臂数字模拟器3，用于根据所述空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据，并将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器2；

所述训练导调评估子***4，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程以及训练项目管理进行规划得到规划结果，以及接收所述实际运行数据，并根据所述规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，所述仿真训练交互设备1包括但不限制于沉浸式虚拟显示与交互设备，其中，沉浸式虚拟显示与交互设备包括但不做限制于虚拟现实眼镜(Virtual Reality，VR)以及其配套的手控器、手柄和显示屏。为了便于理解，下面对沉浸式虚拟显示与交互设备的工作过程进行简要介绍。

在空间机械臂操作仿真训练过程中，空间机械臂操控人员通过仿真训练交互设备1规划空间机械臂的作业行为，例如，通过手控器能够把手势操控指令传输给仿真训练服务器2；仿真训练服务器2根据用户与仿真训练交互设备1交互性操作生成空间机械臂控制指令，一方面将其发送给空间机械臂数字模拟器3，另一方面根据空间机械臂控制指令进行模拟仿真得到空间机械臂的预测运行数据，同时还接收空间机械臂数字模拟器3根据空间机械臂控制指令运行生成空间机械臂的实际运行数据；然后仿真训练服务器2将空间机械臂的预测运行数据和实际运行数据发送给仿真训练交互设备1，仿真训练交互设备1显示空间机械臂的预测运行数据和实际运行数据。

进一步，由于仿真训练交互设备1有多种，因此，显示空间机械臂预测运行数据和实际运行数据的方式也有多种，例如，在沉浸式虚拟显示与交互设备中设置有空间站三维组合体模型，通过环境感知与建模单元的处理，为虚拟显示眼镜和显示屏提供逼真的三维仿真图形图；空间机械臂操控人员根据虚拟显示眼镜和显示屏监测空间机械臂在三维可视化场景中运动过程图形图像，然后空间机械臂操控人员根据该图形图像判断空间机械臂与目标的接近关系，从而实现空间站空间机械臂操作控制全过程的模拟，达到培训操控人员规划、验证、操控或过程研判等方面能力的目标。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，仿真训练服务器2可是单个仿真训练服务器，也可以是仿真训练服务器阵列，在此并不做限定。

参见图2，在一种可能实现的方式中，所述仿真训练服务器2包括：收发单元21、空间机械臂规划与验证单元22以及控制监视效果与评估单元23；其中，

所述收发单元21，用于接收用户通过所述仿真训练交互设备输入的所述空间机械臂控制信息，接收所述空间机械臂数字模拟器3发送的所述实际运行数据，并将所述实际运行数据和所述预测运行数据发送给所述仿真训练交互设备1；

所述空间机械臂规划与验证单元22，用于根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，并根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令；

所述控制监视效果与评估单元23，用于根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

在一种可能实现的方式中，所述控制监视效果与评估单元23，包括：空间机械臂状态预测仿真子模块231、空间机械臂控制效果预示子模块232；其中，

所述空间机械臂状态预测仿真子模块231，用于根据所述空间机械臂控制指令以及预设的空间机械臂动力学模型仿真模拟生成所述预测运行数据；

所述空间机械臂控制效果预示子模块232，用于对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

为了便于理解，下面分别仿真训练服务器2中收发单元21、空间机械臂规划与验证单元22以及控制监视效果与评估单元23的功能进行简要介绍。

一、收发单元21

具体的，收发单元21能够接收用户通过手控器、键盘或鼠标等输入设备输入的空间机械臂控制信息，并根据用户输入的空间机械臂控制信息完成各类参数设置、指令控制或遥操作等交互控制。在本申请实施例所提供的方案中，收发单元21包括指令控制收发子单元211或手柄控制收发子单元212，收发单元21主要完成指令控制(程序控)和手柄控制收发两项功能，其中，指令控制收发子单元211用于模拟遥控指令发送过程，按照遥控指***中规定的时刻发送空间机械臂操作控制指令给空间机械臂数字模拟器3，实现对空间机械臂的控制。进一步，指令控制收发子单元211还能够在运动控制指令发送前先发送预示信息，控制预示空间机械臂执行预示动作。手柄控制收发子单元212能够，接收用户利用手柄实现对空间机械臂的操作控制的控制信息，用户对手柄进行控制过程是根据空间机械臂运动模型和时延信息来预测空间机械臂运动状态实现的。

进一步，在本申请实施例所提供的方案中，用户通过手控器、键盘或鼠标等输入设备输入的空间机械臂控制信息对空间机械臂进行遥操作时，基于手控器的遥操作控制是其中的难点，需要考虑时延对空间机械臂控制的影响。为了确定时延对空间机械臂控制的影响需要建立预测控制模型，实现对空间机械臂运动状态的精确预测。

二、空间机械臂规划与验证单元22

具体的，为了对空间机械臂的运动状态的仿真、精确预测以及验证预测效果，在本申请实施例所提供的方案中，仿真训练服务器2还包括空间机械臂规划与验证单元22；空间机械臂规划与验证单元22，具体用于根据所述械臂作业任务信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，并根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令。

进一步，空间机械臂规划与验证单元22是空间机械臂规划与控制的最核心部分，包含空间机械臂操控制仿真的多个功能模块，例如，多个功能模块包括基础模型模块、任务规划模块、任务规划模块、运动规划模块以及规划验证模块等，对于不同的模块又对其功能进行进一步细分，下面对空间机械臂规划与验证单元22中不同的功能模块的功能进行简要介绍。

1、基础模型模块

在本申请实施例所提供的方案中，基础模型模块包括空间机械臂运动学子模块、动力学子模块、运动分析子模块和碰撞分析子模块。下面分别对每个模块功能进行简要介绍。

1)、运动学子模块是指从几何的角度描述和研究空间机械臂各连杆随时间的变化规律，是开展空间机械臂动力学建模、轨迹规划的基础，其中，空间机械臂运动学建模以D-H法建立连杆坐标系，通过确定连杆坐标系之间矩阵变换关系，建立空间机械臂关节空间与操作空间的映射关系，为空间机械臂路径规划提供基础运动模型。基础模型模块主要实现空间机械臂的正向运动学和逆向运动学功能，其中，正向运动学是指从关节角到末端映射过程，具体映射过程为以空间站空间机械臂的尺寸参数为输入，构建DH参数表，建立空间机械臂末端相对于基座或世界坐标系的旋转矩阵；逆向运动学是指从空间机械臂的末端到关节角映射过程，能够实现将工作空间内空间机械臂末端位姿转化成相对应的空间机械臂关节变量，是空间机械臂的运动分析和轨迹控制的基础，为空间机械臂控制训练提供基础保证。

2)、动力学子模块用于在空间机械臂运行阶段可根据空间机械臂运行状态(例如，关节角度、角速度、角加速度等)获取空间机械臂执行此任务的关节输出力矩，其中，关节输出力矩可以是根据空间机械臂当前的运行状态给出实时的关节输出力矩，以便于对空间机械臂关节的承受载荷进行实时的监测；同时也可以将空间机械臂整个运行过程中的相关参数输入，观察整个任务过程中空间机械臂关节输出力矩曲线，可用于对空间机械臂预演任务的评估，结合空间机械臂实际的构造参数判断该运行状态下空间机械臂的关节承受力矩是否超限，若超限需重新调整规划任务。动力学模块是空间机械臂轨迹优化中对空间机械臂能量消耗、基座扰动等指标进行优化的基础。

3)、运动分析子模块主要用于实现空间机械臂的工作空间计算和末端速度、关节角度、角速度的超限检测。具体过程为：首先通过对工作空间的计算分析能够求解出空间机械臂在相应接口空间机械臂末端所能到达位置的集合，为空间机械臂运动路径规划提供基础保证。其次通过末端速度、关节角度和角速度的超限检测能够明确空间机械臂实际应用的过程受机械结构及其所执行任务及关节的运动范围的限制，在此基础上考虑到运动过程中空间机械臂受惯性力等问题，为空间机械臂关节超限附近设置合适的运动速度，保证空间机械臂稳定安全地运行。超限检测路径规划每一步必须考虑的问题。

4)、碰撞分析子模块主要用于空间机械臂运动过程中，分析空间机械臂自身、空间机械臂及其负载与基座等周围环境发生碰撞的关系。通过碰撞分析，能够减少空间机械臂运动过程中发生碰撞的风险，提升空间机械臂规划控制的安全可靠性。通过分析空间机械臂任务的关节角序列，计算出臂本体与外部部件的最短距离和相关部件名称，判断是否有碰撞的风险，从而进行相应的关节角序列调整，并报警提示。

2、任务规划模块

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，任务规划模块主要用于将复杂任务分解为简单任务且对任务执行的时序关系进行明确的功能模块。在实际任务过程中，空间机械臂操作任务规划与太空环境、空间站状态、空间机械臂状态等信息具有一定的耦合关系，需要综合考虑做出任务规划方案。在数字仿真训练***中，拟采用过程和距离分段的方式，由粗到细逐步将复杂任务分解为简单任务序列，形成的任务序列接合点即为后续路径规划的离散中间点。在此基础上分析空间机械臂与周围环境的碰撞关系等因素，设置增加必要的中间点，提升空间机械臂对环境的适应能力。在此基础上利用优化算法确定各个单元任务执行的时序关系，为路径规划提供坚实基础。

3、路径规划模块

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，路径规划模块是空间机械臂运动控制中最核心关键模块。无论是仿真还是实物，路径规划模块主要用于为空间机械臂的运动控制提供必要的信息，例如，关节角序列，并以该信息为依据控制空间机械臂的运动，对空间机械臂能否顺利完成复杂多变的采样任务起着至关重要的作用。

进一步，根据任务不同，路径规划模块包括单关节速度规划子模块、单关节位置规划子模块、笛卡尔空间路径规划子模块、约束曲线路径规划子模块等。另外考虑到空间机械臂运行时发生关节故障等问题，设计关节重构路径规划子模块和容错路径规划子模块，以提高空间机械臂的任务适应性、灵活性和安全性。具体的，各类规划模块分别介绍如下：

(1)、单关节速度规划子模块用于实现空间机械臂某一关节以一定的速度运行，直到操作员目测达到所需的位置时停止运动。

(2)、单关节位置规划子模块用于实现使空间机械臂某一关节从初始的关节角到达期望的关节角，且关节角速度按一定的形式进行速度规划。例如，通过速度插值曲线进行速度规划，其中，速度插值曲线可选梯形(速度连续)、带圆弧过渡梯形(加速度连续)和其他样条曲线过渡梯形等三种形式。

(3)、多关节联动规划子模块主要用于实现空间机械臂快速大范围转移过程中对多个关节角运动的协同规划，其中在对多个关节角运动的协同规划过程中关注每个关节运动启停的同步性，在不发生碰撞条件下对末端轨迹不做要求，而且规划在关节空间中完成，不会发生运动奇异的问题。

(4)、笛卡尔空间路径规划子模块是在笛卡尔坐标系下对空间机械臂末端直接进行路径规划，其路径规划包括直线规划、圆弧规划和约束曲线规划三种，其中，直线规划是使空间机械臂由初始的末端位姿沿直线运动到指定的末端位姿，圆弧规划是使空间机械臂由初始的末端位姿沿圆弧经过轨迹中间点然后运动到指定的末端位姿，约束曲线规划是使空间机械臂由初始的末端位姿沿满足一定几何关系的约束曲线移动，经过多个轨迹中间点然后运动到指定的末端位姿。

(5)、关节重构路径规划子模块用于在关节故障情况下，锁定空间机械臂的一个或多个关节，使空间机械臂重构成低自由度空间机械臂，实现空间机械臂在低自由度空间的重新规划与任务执行。通常情况下，可在故障关节为一时可重构成六自由度空间机械臂，当故障关节少于四个时可重构成三自由度空间机械臂。重构方法主要有DH参数重构法、雅可比矩阵摄动法、旋量法等。

(6)、容错路径规划子模块是一种自适应路径规划方式，考虑空间机械臂在轨操作过程中，由于操作任务需求或者故障等因素，需要对空间机械臂的关节进行重组和自由度数的增减等操作，采用雅可比矩阵摄动方法，适应空间机械臂在轨的各类工况需求，提升故障状态下空间机械臂任务完成能力。

在本申请实施例所提供的方案中，路径规划模块对于不同的规划模式有不同的输入，输出通常都为空间机械臂当前关节角度、角速度、角加速度。

4、轨迹优化模块

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，轨迹优化模块包括正常情况下的轨迹优化子模块、故障情况下的轨迹优化子模块以及接触碰撞预警子模块。下面对轨迹优化模块中各子模块进行简要介绍。

①、正常情况下的轨迹优化子模块主要是针对空间站空间机械臂冗余特性，对空间机械臂操作灵活性、执行任务高效性和局部扰动最小化等指标进行优化，使得空间机械臂操作过程中远离奇异状态、高效完成目标任务，同时不对空间站本体发生影响，该模块通过空间机械臂关节空间作的启发式搜索实现或者通过优化操作零空间实现。

②、故障情况下的轨迹优化子模块是空间机械臂发生关节失效锁定后，在故障时刻空间机械臂构型不发生奇异，并且可通过健康关节的速度调整补偿故障关节的速度贡献，实现关节角度的连续变化。对于给定空间七自由度大型空间机械臂末端位姿，可利用其自运动特性，获得满足位姿要求的关节构型集合，然后通过遍历自运动变量获得全部连续关节轨迹，进一步优化获得满足优化目标的关节轨迹。

③、接触碰撞预警子模块是为了避免机械臂在运动过程中与外界物体发生碰撞而损坏设备，需要在***中引入的模块。接触碰撞预警子模块主要实现机械臂自身的碰撞检测，在检测到即将发生碰撞时运动停止，并报警提示。碰撞检测模块可通过基于基本几何体的碰撞检测、基于OBB包围盒的碰撞检测和基于AABB包围盒的碰撞检测方法构建。

三、控制监视效果与评估单元23

控制监视效果与评估单元23；控制监视效果与评估单元23，用于根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，空间机械臂的运行数据包括运动跟踪情况、碰撞关系、关节超限情况、力矩大小等状态信息。控制监视效果与评估单元23包括空间机械臂状态预测仿真子模块231以及空间机械臂控制效果预示子模块232。为了便于理解下面对每个子模块的功能进行简要介绍。

1)、空间机械臂状态预测仿真子模块231

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，通过空间机械臂状态预测仿真子模块231仿真模拟得到空间机械臂在轨运行的预测运行数据，获取当前时刻预测的空间机械臂的运动学、动力学参数。

具体的，空间机械臂状态预测仿真子模块231根据仿真训练交互设备1输入的空间机械臂控制信息开始预测仿真计算生成空间机械臂的运行数据。

2)、空间机械臂控制效果预示子模块232

具体的，空间机械臂控制效果预示子模块232获取空间机械臂状态预测仿真子模块231预测仿真计算生成空间机械臂的运行数据，以及获取空间机械臂数字模拟器3反馈的空间机械臂的实际运行数据。

空间机械臂状态预测仿真子模块231选用拉格朗日法或者牛顿欧拉法构建动力学模型，在空间机械臂操作运行前可计算初始动力学参数；在空间机械臂运动过程中，利用空间机械臂数字模拟器3发送的空间机械臂的实际运行数据确定空间机械臂关节的角度、角速度、角加速度、空间机械臂末端的位置、速度等数据，判读预测运行数据和实际运行数据的差异，根据数据差异对空间机械臂进行参数辨识；也可将预测运行数据和实际运行数据同时在显示屏上进行显示和比对分析，判断空间机械臂运行误差，辨识空间机械臂动力学模型参数。比较辨识前后末端轨迹情况，更新的动力学参数，修正模型误差。

进一步，参见图3，在一种可能实现的方案中，所述空间机械臂数字模拟器3，包括：解析单元31、操作控制仿真单元32以及反馈单元33；其中，

所述解析单元31，用于将接收的所述空间机械臂控制指令进行格式转换，得到转换后的空间机械臂控制指令，其中，所述转换后的空间机械臂控制指令能够被所述操作控制仿真单元32识别；

所述操作控制仿真单元32，用于根据所述转换后的空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据；

所述反馈单元33，用于将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器2。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，空间机械臂数字模拟器3主要用于模拟空间机械臂在轨运行过程，能够接收地面指令、模拟空间机械臂运动逻辑与动力学特性、产生并下传空间机械臂的实际运行数据，作为操作仿真训练***的操控响应模拟器，实现天地时延条件下的空间机械臂操控过程模拟。解析单元31负责将接收通过网络协议传输过来的指令数据包，并将数据包转化为操作控制仿真单元32能够用作输入的指令格式集合；操作控制仿真单元32将这些指令集合进行仿真计算，模拟空间机械臂在空间环境中的运动学特点和成像过程，并且充分考虑通讯时延对***操控的影响；反馈单元33通过网络协议将空间机械臂的实际运行数据反馈给仿真训练服务器2。

反馈单元33发送给仿真训练服务器2的实际运行数据可以是数据，也可以是图像形式，因此，操控过程仿真单元32包括对空间机械臂运动过程或成像过程进行模拟，前者以空间机械臂的运动学、动力学、路径规划等模型为基础，实现对空间机械臂运动操作的过程仿真。后者则以光学成像原理为基础，根据参数设置实现各类相机对目标的成像。为了便于理解下面分别对操控过程仿真单元32中运动过程模拟和成像过程模拟进行简要介绍。

1)运动过程模拟

具体的，空间机械臂与地面空间机械臂的相似之处在于，它们都是由多个连杆连接在一起形成手臂状结构的机器人，都能够使用特定的末端执行器和工具执行各种任务。空间机械臂受微重力特性的影响，其在轨运动与空间机械臂载体间具有一定的耦合性。空间机械臂在轨操作过程仿真是以空间机械臂动力学模型为基础，结合不同类型的任务需求，开展空间机械臂操控过程的模拟与仿真。仿真过程中不仅考虑空间机械臂自身的运动特性，还考虑空间机械臂与基座载体的耦合特性，提升仿真的真实度和天地一致性，为空间机械臂操控模拟训练提供真实过程输入。

2)、成像过程模拟

具体的，成像过程模拟单元根据空间光照特性、目标反光特性，建立对应的几何关系模型和目标表面可见光散射特性模型，将目标表面划分成离散的三维面片，根据表面片材质、法向矢量和光照角度参数计算表面的散射特性。设定太阳的方位，根据光学成像原理模拟光照在物体表面散射的过程，再模拟光学***和像探测器的能量传递特性、噪声模型等，生成高真度的空间目标辐射亮度图像，同时考虑太阳、目标物和观察卫星的几何关系，计算成像阴影区，对未照亮部分的成像进行扣除，得到最终目标图像。

进一步，参见图4，在一种可能实现方式中，所述训练导调评估子***4包括人员管理模块41、项目管理模块42以及评估模块43；其中，

所述人员管理模块41，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程进行规划得到训练人员规划结果；

所述项目管理模块42，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对训练项目管理进行规划得到训练项目规划结果；

所述评估模块43，用于从所述仿真训练服务器读取所述实际运行数据，以及根据所述训练人员规划结果、所述训练项目规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

具体的，在本申请实施例所提供的方案中，所述人员管理模块41对每个操作人员的训练过程进行规划包括但不限制于：展开训练方式规划、训练能力规划或训练执行时间规划。所述项目管理模块42对训练项目管理进行规划包括但不限制于训练项目执行模式规划，例如，训练项目执行模式包括单人模式或者多人模式。评估模块43可以对空间机械臂的任务规划、路径规划、轨迹优化、指令控制以及手柄控制能力进行评估。

进一步，为了能够实现遥操作岗位人员操控能力的评价，在评估模块33设置有效果评价模型，该效果评价模型针对空间站空间机械臂任务，分析其中典型的空间机械臂操作，制定出相应的绩效评价方法。在常规的空间机械臂操作任务中，操控人员需要具备如下技能：1)掌握手柄的正确控制方式，操作之后预判空间机械臂的移动轨迹；2)依据三维位置关系，进行任务路径规划；3)判断各个关节的限位角度，进行空间机械臂控制模式转换(关节前向控制、末端点逆向控制)；4)操控空间机械臂执行任务的能力。

进一步，为了能够很好地评价遥操作岗位人员操作能力，还需要设计综合评价指标体系，从主观评价和客观评价两个方面设置评价指，如图5所示。主观评价指标有综合性情况感知能力，手控操作能力，对***的熟练程度，操作技巧等能力。客观量值包括总的实验时间，移动手杆时间，平均移动次数，总的移动次数，碰撞次数，任务完成率等。

进一步，根据上述综合评价体系，对不同类型的训练任务进行具体指标设计，主要针对不同专项训练给出指标和评价方法，对每一个参训人员的各项操控能力进行量化评分。以此为基础实现参训个体的自主管理管理和多人协同的综合管理与评估。具体的，上述综合评价体系可以对空间机械臂规划与验证训练评估以及手柄控制训练评估，为了便于理解下面对其评价过程进行简要介绍。

(1)空间机械臂规划与验证训练评估

空间机械臂规划与验证训练用于训练提高操作人员结合实际任务场景以及约束条件，实现空间机械臂在轨服务规划与验证的能力，其遵循空间机械臂操作安全性与目标最优原则。空间机械臂规划与验证功能主要根据给定空间机械臂末端目标位姿、关节构型和约束条件，进行笛卡尔空间或关节空间路径规划，对整个空间机械臂规划与验证过程中路径长度、资源消耗、操作时间等影响因素进行数值输出，作为评价空间机械臂规划与验证的质量指标；同时考虑运动过程中的末端轨迹和碰撞关系，作为空间机械臂规划与验证的正确性指标。

(2)手柄控制训练评估

手柄控制训练用于训练提高操作人员结合实际任务目标以及约束条件，实现控制手柄使空间机械臂末端跟随运动的能力，以达到快速规划至目标点完成任务的目的。其遵循空间机械臂操作安全性与快速准确达到目标的原则。手柄控制功能主要根据操作人员移动手柄后达到的空间位姿，进行笛卡尔空间轨迹规划，规划出空间机械臂的运动轨迹，实现空间机械臂末端跟随手柄运动的效果。空间机械臂整个运动过程中的路径长度、资源消耗、操作时间等影响因素作为评价手柄控制的质量指标；同时考虑运动过程中的碰撞关系和运动结束后的目标位置是否到达作为空间机械臂手柄控制的正确性指标。

本申请实施例所提供的方案中，在空间机械臂操作仿真训练***中，通过仿真训练交互设备1将操作人员输入的空间机械臂控制信息发送给仿真训练服务器2，然后，仿真训练服务器2根据接收的空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令以及根据空间机械臂控制信息模拟仿真得到空间机械臂的预测运行数据，然后空间机械臂数字模拟器3根据所述空间机械臂控制指令模拟执行操作任务，得到空间机械臂的实际运动数据，最后，训练导调评估子***4根据训练以及任务管理的规划结果以及对实际运行数据进行分析确定训练效果。因此，本申请实施例所提供的方案中，通过在空间机械臂操作仿真训练***中设置仿真训练交互设备1、仿真训练服务器2、空间机械臂数字模拟器3以及训练导调评估子***4，实现操作人员对空间机械臂遥操作训练需求。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种空间机械臂遥操作仿真训练方法做进一步详细的说明，该方法应用于上述图1所述的***，具体实现方式可以包括以下步骤(方法流程如图6所示)：

步骤601，接收操作人员通过仿真训练交互设备输入的空间机械臂控制信息，并根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令。

步骤602将所述空间机械臂控制指令发送给空间机械臂数字模拟器，以及接收所述空间机械臂数字模拟器基于所述空间机械臂控制指令反馈的空间机械臂的实际运行数据。

步骤603，根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成空间机械臂的预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

可选地，根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，包括：

根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，得到所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果；

根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令。

可选地，对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估，包括：对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

参见图7，本申请提供一种仿真训练服务器，该仿真训练服务器，包括：

存储器701，用于存储至少一个处理器所执行的指令；

处理器702，用于执行存储器中存储的指令执行图1所述的方法。

本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行图1所述的方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种空间机械臂遥操作仿真训练***，其特征在于，包括：仿真训练交互设备、仿真训练服务器、空间机械臂数字模拟器以及训练导调评估子***；其中，

所述仿真训练交互设备，用于接收操作人员输入空间机械臂控制信息，并将所述空间机械臂控制信息发送给所述仿真训练服务器，以及接收并显示所述仿真训练服务器发送的空间机械臂预测运行数据和空间机械臂实际运行数据；

所述仿真训练服务器，用于根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，将所述空间机械臂控制指令发送给所述空间机械臂数字模拟器，以及根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，接收所述空间机械臂数字模拟器发送的所述实际运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估；

所述空间机械臂数字模拟器，用于根据所述空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据，并将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器；

所述训练导调评估子***，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程以及训练项目管理进行规划得到规划结果，以及接收所述实际运行数据，并根据所述规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述仿真训练服务器包括：收发单元、空间机械臂规划与验证单元以及控制监视效果与评估单元；其中，

所述收发单元，用于接收用户通过所述仿真训练交互设备输入的所述空间机械臂控制信息，接收所述空间机械臂数字模拟器发送的所述实际运行数据，并将所述实际运行数据和所述预测运行数据发送给所述仿真训练交互设备；

所述空间机械臂规划与验证单元，用于根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，并根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令；

所述控制监视效果与评估单元，用于根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成所述预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述控制监视效果与评估单元包括：空间机械臂状态预测仿真子模块、空间机械臂控制效果预示子模块；其中，

所述空间机械臂状态预测仿真子模块，用于根据所述空间机械臂控制指令以及预设的空间机械臂动力学模型仿真模拟生成所述预测运行数据；

所述空间机械臂控制效果预示子模块，用于对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

4.如权利要求1-3任一项所述的***，其特征在于，所述空间机械臂数字模拟器，包括：解析单元、操作控制仿真单元以及反馈单元；其中，

所述解析单元，用于将接收的所述空间机械臂控制指令进行格式转换，得到转换后的空间机械臂控制指令，其中，所述转换后的空间机械臂控制指令能够被所述操作控制仿真单元识别；

所述操作控制仿真单元，用于根据所述转换后的空间机械臂控制指令控制空间机械臂运动得到所述实际运行数据；

所述反馈单元，用于将所述实际运行数据发送给所述仿真训练服务器。

5.如权利要求1-3任一项所述的***，其特征在于，所述训练导调评估子***包括人员管理模块、项目管理模块以及评估模块；其中，

所述人员管理模块，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对所述每个操作人员的训练过程进行规划得到训练人员规划结果；

所述项目管理模块，用于根据所述操作人员数目以及所述每个操作人员的训练任务需求，对训练项目管理进行规划得到训练项目规划结果；

所述评估模块，用于从所述仿真训练服务器读取所述实际运行数据，以及根据所述训练人员规划结果、所述训练项目规划结果以及所述实际运行数据进行分析确定训练效果。

6.一种空间机械臂遥操作仿真训练方法，应用于上述权利要求1-5所述的***，其特征在于，包括：

接收操作人员通过仿真训练交互设备输入的空间机械臂控制信息，并根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令；

将所述空间机械臂控制指令发送给空间机械臂数字模拟器，以及接收所述空间机械臂数字模拟器基于所述空间机械臂控制指令反馈的空间机械臂的实际运行数据；

根据所述空间机械臂控制指令仿真模拟生成空间机械臂的预测运行数据，以及对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述空间机械臂控制信息生成空间机械臂控制指令，包括：

根据所述空间机械臂控制信息对空间机械臂进行任务规划、路径规划以及路径优化，得到所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果；

根据所述任务规划、所述路径规划以及所述路径优化的结果生成所述空间机械臂控制指令。

8.如权利要求6或7所述的方法，其特征在于，对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监视和评估，包括：对所述预测运行数据和所述实际运行数据进行监控，以及确定所述预测运行数据和所述实际运行数据之间的差值，根据所述差值修正所述空间机械臂动力学模型。

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