“天宫二号”上的光电信息技术
天宫二号于2016年9月15日发射入轨，是我国首个真正意义上的空间实验室，主要承担航天员中期驻留、推进剂在轨补加和在轨维修技术试验三大任务。其中在轨维修技术试验为机械臂人机协同试验，即航天员和机械臂共同完成的试验，主要包括机械臂抓取漂浮物体、拆卸隔热材料、旋拧电连接器、持握电动工具旋拧螺钉和与航天员握手等。
众所周知，人在完成各种操作时离不开眼睛对物体的定位。机器人也不例外，没有眼睛的机器人相当于盲人。空间机械臂的眼睛就是机械臂的视觉测量系统，包括摄像机和与之相连的计算机，其中摄像机用于获取操作对象的图像，计算机上运行的视觉测量软件通过对图像的处理实现对操作对象的定位。为完成在轨维修试验，天宫二号的空间机械臂共配备了2个视觉测量系统：手眼视觉测量系统和全局视觉测量系统。沈自所独立研制了其手眼视觉测量系统，参与研制了由北京理工大学负责的全局视觉测量系统。
手眼视觉测量系统的测量传感器为1台安装机械臂末端的手眼视觉相机，其测量任务有两个：一是机械臂抓取漂浮物体时的近距离测量、二是合作靶标的相对位姿测量。全局视觉测量系统的测量传感器是安装在舱顶的2台全局相机，其测量任务包括机械臂抓取漂浮物体的远距离位置测量和机械臂旋拧螺钉时电动工具的位姿测量。沈自所承担了电动工具位姿测量软件的开发工作，即在机械手旋拧螺钉的过程中，通过看电动工具上的合作标志点在线测量电动工具与全局相机间的相对位置和姿态，以引导机械手抓持电动工具对准螺钉孔。
机械臂人机协同在轨维修试验已于2016年10月22日至11月13日期间成功完成。沈阳自动化所研制的视觉测量系统在所有试验中稳定工作，精确引导机械臂圆满完成了各项空间试验任务。通过与航天员景海鹏、陈冬及科研单位航天五院、哈工大、北理工等紧密协作，沈阳自动化所科研人员攻克了多项关键技术，提出的空间视觉伺服方案解决了机械臂抓取电动工具位置不固定造成的定位与控制难题，保证了各项试验任务的顺利完成。
作者：中科院沈阳自动化所光电信息技术研究室 范晓鹏
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