“玉兔之手”顯身手——揭秘機(jī)械臂規(guī)劃控制技術(shù)

“玉兔之手”顯身手——揭秘北京航天飛行控制中心機(jī)械臂規(guī)劃控制技術(shù)

新華網(wǎng)北京１月１５日電(田兆運(yùn)、祁登峰)１月１４日２１時(shí)４５分，遙遠(yuǎn)的月宮再次傳來(lái)佳音，北京航天飛行控制中心精確控制嫦娥三號(hào)巡視器舒展“玉兔之手”——機(jī)械臂，對(duì)月壤成功進(jìn)行了第一次元素成分科學(xué)探測(cè)分析。

“玉兔之手”位于“玉兔”號(hào)月球車(chē)正面的五星紅旗圖案下方，是有一個(gè)“四肢三軸”的活動(dòng)機(jī)構(gòu)。肢，猶如人的手臂；軸，是肢的連接點(diǎn)，如同手臂的關(guān)節(jié)。機(jī)械臂展開(kāi)后，最里面的關(guān)節(jié)只能左右移動(dòng)，中間的關(guān)節(jié)和末端的關(guān)節(jié)只能上下移動(dòng)，就像人的手臂和手掌繞關(guān)節(jié)一樣。

那么，“玉兔之手”是如何在地面控制下完成科學(xué)探測(cè)的呢？

“對(duì)機(jī)械臂的控制，主要依靠機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)。”北京航天飛行控制中心總工程師周建亮介紹說(shuō)，“我們綜合考慮機(jī)械臂的構(gòu)造特點(diǎn)和科學(xué)探測(cè)的各類(lèi)約束條件，建立了精確的控制算法模型，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械臂遙操作控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂毫米量級(jí)的精確控制。”

據(jù)周建亮介紹，由于活動(dòng)維度限制和避障等因素的影響，要完成對(duì)一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的探測(cè)，機(jī)械臂一次投放一般要經(jīng)過(guò)十幾步操作，而且每一步的投放角度都要經(jīng)過(guò)極其精密的計(jì)算。

北京航天飛行控制中心軌道室控制組組長(zhǎng)劉勇是機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)的負(fù)責(zé)人。他結(jié)合自己多年軌道控制的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)近一年的計(jì)算鉆研，自主建立了機(jī)械臂規(guī)劃控制正向求解算法、逆向求解算法和機(jī)械臂避障算法等３個(gè)算法模型，有效解決了機(jī)械臂精確控制和有效避障接近目標(biāo)點(diǎn)的困難。

劉勇介紹說(shuō)，正向求解算法就是根據(jù)移動(dòng)角度大小，計(jì)算出能移動(dòng)到距目標(biāo)點(diǎn)多遠(yuǎn)處；逆向求解算法恰恰相反，就是根據(jù)目標(biāo)位置，計(jì)算出需要移動(dòng)角度大小，只有兩相印證才能得到最佳的控制參數(shù)。而避障算法，是為了有效避開(kāi)本體和月面地形的干涉，以達(dá)到逐步逼近目標(biāo)點(diǎn)１０到３０毫米的目的。

“機(jī)械臂末端的Ｘ射線譜儀是一個(gè)高精度的科學(xué)探測(cè)儀。”劉勇說(shuō)，“如果不能有效避障，機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)一旦碰觸到本體或者探測(cè)目標(biāo)就會(huì)對(duì)探測(cè)儀器造成損害。”

在遙操作廳，劉勇和榮志飛協(xié)同配合現(xiàn)場(chǎng)演示了機(jī)械臂的整個(gè)遙操作控制流程。大屏幕上，纖細(xì)靈巧的“玉兔之手”在榮志飛的精確操控下緩緩舒展，精確避障，最終到達(dá)預(yù)定位置。

據(jù)介紹，月壤探測(cè)只是月面工作段科學(xué)探測(cè)的一個(gè)開(kāi)始，后續(xù)還有更多的科學(xué)探測(cè)任務(wù)要依賴“玉兔之手”。