新闻资讯 · 2022年 8月 9日 0

【Telegram中文版】30年,只为太空那只“千里手”【Telegram中文官网】

科技日报记者 金凤

“太棒了,终于稳稳地展开了。”在微信朋友圈看到中国空间站问天实验舱展开柔性太阳电池翼的绝美瞬间,东南大学首席教授宋爱国滑屏的手指微微颤抖。

8月16日,接受科技日报记者采访时,他感慨道:“我们做了多年的研究,终于不负所托!”

在距离地面约400公里的太空,到底需要用多大的力,才能恰好展开一块相当于标准单打羽毛球场大小的太阳电池翼?宋爱国带领团队研发的力测量传感器和测量系统,给出了精准答案。

穿越天地间,该怎样用“力”控制航天器,这个问题贯穿了宋爱国的科研人生。1992年,当代号为“921”的中国载人航天工程正式启动时,宋爱国正在为成为一名博士生做准备。那时的他未曾想到,此后的30年,他和团队研究的人机交互力觉临场感遥操作、航天员在轨操作力测量技术等,将助力托举中国的航天事业探月问天。

为太空遥操作探路

力觉临场感机器人是一种先进的人机交互遥操作机器人。通俗地说,它通过各种传感设备来捕捉人的动作、力度,去控制远端机器人的运动,如同“千里手”。同时,机器人的视觉、力觉、触觉等各种感觉也能反馈给人,使人“身临其境”。

“这项技术在20世纪90年代初的中国,还是一片空白。”宋爱国说,他博士入学的半年前,中国载人航天工程刚刚启动。这项工程的第三步,就是建造空间站。他意识到:“我国要发展自己的空间站,就一定需要人机交互遥操作机器人。让机器人成为人在太空的代理,去完成各项作业。”

“一穷二白”地闯入崭新的研究领域,一个巨大的挑战摆在宋爱国面前:空地间的信号传输存在时延,这短暂的几秒内,如何感知遥操作机器人的力反馈,让它不失控?

经过数次演算后,宋爱国和团队发现,机器人在遥操作过程中时延的力反馈模式是一个多余能量输出的过程。他们设想:“如果将多余的能量耗散掉,是不是就可以让机器人在时延阶段,渐渐稳定下来?”

历经多年,数不清画了多少图纸、熬了多少夜,团队设计出一套控制算法,根据机器人的接触力大小和电机的转速、加速度,分别判断机器人输出的能量大小和运动趋势,由电机自动生成阻力。如果时延产生的能量大,电机的阻力就大;如果能量小,阻力就小。

正要验证这套理论模型的精准度时,团队却遭遇“苍白”的现实:当时的实验室没有工业机器人,国内能生产空间机器人特种电机的工厂也凤毛麟角。

为嫦娥三号研制地面模拟实验月球车

工欲善其事必先利其器,没有条件,就创造条件。宋爱国和同事们自己设计电机指标和结构参数,并将图纸和指标送到北京一家电机厂定制。两三个月后拿到的成品,还是不行,又送到南京一家电机厂改装。第一台电机,团队就改装了五六个月。

有了电机,机器人便有了灵魂。10年间,团队相继研发了力觉传感器、力反馈器件和力控制器等器件,建立了力觉临场感机器人控制系统,就多维力测量不准确、时延带来的机器人力反馈遥操作不稳定等问题提出系列解决方案。

2008年底,宋爱国团队开始为嫦娥三号研制地面模拟实验月面巡视机器人,主要研究月球车的遥操作控制算法和识别环境的感知系统。在做野外实验时,此前已经验证多次的理论模型,却难以精准控制月球车的机械臂。

“我们分析后发现,由于外场测试的场地要模拟凹凸不平的月面,机器人行驶时的震动降低了机械臂的遥操作精度。”宋爱国带领团队立即矫正参数,重新建模。半年时间里,他们每隔十几天往返一次北京和南京进行测试。

深冬的北京,寒风和雪花冷酷地拍打着这些年轻的脸庞,却不曾扑灭他们的探月梦想。

2014年1月14日21时45分,在北京航天飞行控制中心精确控制下,“玉兔号”月球车展开机械臂,对月壤成功实施首次月面科学探测。

这次探测任务的成功,标志着我国掌握了月面高精度机械臂遥操作控制技术,实现了38万公里外机械臂毫米级精确控制。宋爱国团队此前的地面模拟实验提供了重要支撑。

帮航天员“量力而行”

如果说掌握了人机交互的“力”,可以通过“千里手”隔空作业,那么,了解太空中航天员施力的变化,将为航天员的在轨工作提供依据。

“航天员的操作力涉及指捏力、手握力、推拉力、双手插拔力、手部多维力和足部多维力等十几种力,这要求力测量设备要对应各种施力方式精确测量。”宋爱国说。

有一次,团队研发的一款测量航天员脚蹬力的传感器在水下试验时漏水。“水下密封是一个很大的挑战。因为完全密封了,力就传不进传感器,无法测量;而密封不好,又会漏水。”

面对几乎不可能完成的任务,宋爱国团队为传感器设计了一个活动密封装置,在航天员踩踏的传感器接触面开了一个孔,在孔里垂直塞入表面光滑的波纹管和胡杨木,以确保传感器不漏水。当航天员蹬在波纹管上时,管子会将力传到传感器上,后期收集数据时,再去除波纹管和传感器之间的摩擦力。

调整再三,再次测试。由于水压太大,波纹管被压扁了,摩擦力又发生了变化。团队又模拟水压重新设计,将仪器放在压力舱中测试,最终成功交付。

创新无止境。2017年起,团队又开始研制面向空间站的小型化长寿命高精度多维力传感器以及航天员在轨生物力学综合测试系统。2021年4月29日,该综合测试系统随中国空间站天和核心舱成功发射升空,并将长期在轨运行。

现在,宋爱国时常会遥望夜空,寻找中国空间站这颗“夜空中最亮的星”。每当此时,他的耳畔总会回响起习近平总书记的话语——“星空浩瀚无比,探索永无止境,只有不断创新,中华民族才能更好走向未来”。