空间机器人

空间机器人一、空间机器人的概述二、空间机器人的特点和分类三、国内外空间机器人发展概况四、空间机器人的战略意义一、空间机器人的概述1、空间机器人的定义一般机器人应具备四要素：上肢：机械臂、机械手，能抓举、搬运物体下肢：腿或轮子，能走歩、转向或移动脑和神经中枢：信息存储装置和运算装置或电脑，能进行分析、比较、判断与决策感知器官：视觉、触觉、听觉、嗅觉等传感器，能敏感温度、硬度、重量、距离、方位、形状和大小等空间机器人：一种在航天器或空间站上作业的具有智能的通用机械系统。太空机器人具有机械臂和电脑，能实现感知、推理和决策等功能，可以象人一样在事先未知的空间环境下完成各种任务。2、空间机器人的工作条件空间机器人工作在微重力、高真空、超低温、强辐射、照明条件差的空间环境下。在失重条件下物体处于漂浮状态，给太空机器人操作带来种种困难，空间视觉识别以及视觉与手爪的配合较地面更困难。由于空间机器人在空间微重力的环境下工作，因此当机械臂运动时，会对载体产生反作用力和力矩，从而改变载体的位置和姿态，即空间机器人的机械臂和载体之间存在着运动学和动力学耦合问题。如果不考虑这种力学耦合问题，而依然采用地面固定基座机器人的运动控制技术，空间机器人就无法完成预定的操作任务。所以研究空间机器人，首先要解决的是如何考虑这种因素，建立相互作用的运动学、动力学模型及运动控制算法。空间机器人的基体（卫星）不是固定的，而是在太空中处于自由飞行或浮游状态，二、空间机器人的特点和分类1、空间机器人的特点高真空对空间机器人设计的要求在高真空环境下只有特殊挑选的材料才可用，需特殊的润滑方式，如干润滑等；更适宜无刷直流电动机进行电交换；一些特定的传感原理失效，如超声波探测等。微重力或无重力对空间机器人的设计要求微重力的环境要求所有的物体都需固定，动力学效应改变，加速度平滑，运动速度极低，启动平滑，机器人关机脆弱，传动率要求极高。极强辐射对空间机器人的要求在空间站内的辐射总剂量为10000Gy/a，并存在质子和重粒子。强辐射使得材料寿命缩短，电子器件需要保护及特殊的硬化技术。距离遥远对空间机器人的设计要求空间机器人离地面控制站的距离遥远，传输控制指令的通信将发生延迟（称为时延）。时延对空间机器人最大的影响是使连续操作闭环反馈控制系统变得不稳定。同时在存在时延的情况下，即使操作者完成简单工作也需要比无时延情况下长得多的时间，只是由于操作者为避免系统不稳定，必须采取“运动—等待”的阶段工作方式。真空温差大对空间机器人设计的要求在真空环境下，不能利用对流散热，在空间站内部的温差为-120～60℃，在月球环境中的温差为-230～130℃，在火星环境中的温差为-130～20℃。在这样的温差环境中工作的空间机器人需要多层隔热、带热管的散热器、分布式电加热器、放射性同位素加热单元等技术。2、空间机器人的分类根据空间机器人所处的位置来划分：低轨道空间机器人离地面300～500km高的地球旋转轨道。静止轨道空间机器人离地面约36000km的静止卫星用轨道。月球空间机器人在月球表面进行勘探工作。行星空间机器人主要指对火星、金星、木星等行星进行探测。根据航天飞机舱内外来划分：舱内活动机器人舱外活动机器人根据人的操作位置来划分：地上操纵机器人从地面站控制操作。舱内操纵机器人从航天飞机内部通过直视或操作台进行控制操作。舱外操纵机器人舱外控制操作。根据功能和形式来划分：自由飞行空间机器人机器人卫星空间实验用机器人火星勘探机器人行星勘探机器人根据控制方式来划分：主从式遥控机械手主从式遥控机械手由主手和从手组成。从手的动作完全由操作人员通过主手进行控制。这种遥控机械手具有严重的缺点：操作人员的劳动强度很大；在进行操作时，由于控制信号的时延带来不稳定性。主从式遥控机械手已经为遥控机器人所取代。这种机械手也有优点，在宇宙飞船、空间站外部空间距离近的地方仍可以利用其反应快、触觉真实的特点进行时间较短的操作。遥控机器人遥控机器人是将遥控机器人和一定程度的自主技术结合起来的机器人系统，机器人远地接收操作人员发出的指令进行工作。现阶段，遥控机器人是最重要的一种空间机器人。它可以工作在舱内，也可以工作在舱外，还可安装在空间自由飞行器上派往远离空间站的地方去执行任务。自主机器人自主机器人是一种高智能机器人，具有模式识别和作业规划能力，能感知外界环境的变化和自动适应外界环境，自己拥有知识库和专家系统，具有规划、编程和诊断功能，可在复杂的环境中完成各种作业，如火星探测机器人就属于自主机器人。三、国内外空间机器人发展概况1、加拿大空间机器人概况（a）世界上第一个成功应用于飞行器的空间机器人系统为加拿大MDRobotic公司于1981年研制的SRMS系统，该机械臂总长15.2m，由一个肩关节、肘关节和腕关节组成，其主要功能为投放卫星进入恰当的轨道和维修失效卫星等，该机械臂还修理过哈勃太空望远镜。(b)加拿大MDRobotic公司继而开发了应用于空间站的遥控机械臂系统MSS。该系统主要由活动基体系统、空间站遥控机械臂系统（SSRMS）及专用灵巧机械臂（SPDM）等三部分组成。其中SSRMS由两个臂杆组成，主要用于大型物体搬运和组装；SPDM是SSRMS臂的灵巧手，长约3.5m，质量约1660kg；灵巧机械臂的本体装配在遥控机械臂系统的末端来执行一些更加细致的操作任务。2、美国空间机器人概况（a）FTS是美国最早的空间机器人研究项目，主要在空间站上执行各种装配、维修及协助视觉监测等繁杂任务。FTS由两个机械臂及一个定位腿组成，属于类人机器人，机械臂可以在高灵巧系统中于工作空间内无奇点的提供89N的力和27Nm的力矩。机械臂运动结构是对称的，力/力矩传感器安装在机械臂末端，工作于遥操作模式下。(b)Skyworker由卡耐基-梅隆大学研制，属于附着移动机器人，该机器人借助于所在支撑平台的反作用力，移动并操纵各种载荷进行工作。当承载载荷较大时，采用连续的步态保持负载匀速运动，避免每一步均进行加减速。这种工作方式可以在反作用力最小的情况下使得能量利用率更高，是一种能够对大空间结构自主装配、监测和维修的低成本机器人。RangerTFX是一种灵巧空间机器人系统[13]，具体如图3(c)所示，项目开始于1992年，是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目，如图3(d)所示。（c）RangerTFX是一种灵巧空间机器人系统，项目开始于1992年，是一具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目。（d）Robonaut是NASA开发的空间类人机器人，它是一个多自由度灵巧机器人，主要是作为助手与航天员一起工作并执行日常维修任务。“轨道快车”计划是在1999年公布的，主要用于开发研究未来空间在轨补给和修复、重构等技术，实验修复卫星，进行各类仪器的太空试验，并利用在轨飞行演示与验证。3、德国空间机器人概况（a）ROTEX项目于1986年开始，是一个小型六轴机器系统，1993年在哥伦比亚号航天飞机上进行了飞行演示，执行了抓取物体、机械装配及拔插电插头等多个实验任务，是世界上首例具有地面遥操作功能的空间机器人。(b)ESS项目是为GEO轨道通信卫星进行服务的，其主要是将ROTEX中已经验证的遥操作思想用于自由空间环境中执行卫星服务。(c)ROKVISS由一个两关节机器人及相关辅助设备共同组成，主要用于验证机械臂的功能。它于2004年跟随俄罗斯进步号宇宙飞船发射升空，然后在ISS上进行飞行试验，并进行了相关实验验证。（d）TECSAS项目是2003年德国宇航中心资助研究的，该项目计划采用目标卫星和跟踪卫星进行试验，其中机械臂和手抓取系统安装在跟踪卫星上，能够对空间设备维修及服务系统中比较关键的技术进行实验验证。RangerTFX是一种灵巧空间机器人系统[13]，具体如图3(c)所示，项目开始于1992年，是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目，如图3(d)所示。4、日本空间机器人概况（a）MFD系统为日本的第一个空间机械臂实验项目，在1997年于发现号航天飞机上成功进行了演示实验。其主要作用为：(1)对空间机械臂性能进行评估；(2)对空间机械臂控制系统人机接口的性能进行评估；(3)采用机械臂对ORU的安装与卸载、门的开及关等能力进行演示实验；(4)对地面遥操作进行演示实验等。（b）ETS-VII是世界上第一个真正的自由飞行空间机器人系统，1997年发射升空。其主要目的是科学实验：一是两颗卫星的交会对接实验；二是对空间机器人做各种操作实验。ETS-VII空间机器人具有6自由度；长2.4m，重约150kg；第一关节与最后关节处分别安装有一个相机。RangerTFX是一种灵巧空间机器人系统[13]，具体如图3(c)所示，项目开始于1992年，是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目，如图3(d)所示。（c）JEMRMS是用于空间操作的机器人系统，NASDA负责研制。该机器人由主臂和小臂SFA串联组成，主臂长约10m，主要由6个关节和2个臂杆组成；小臂长约2m，主要由6个关节、2根臂杆以及一个末端效应器组成。宇航员执行任务时可以借助于这两个臂杆进行更多的操作，图为JEMRMS搬运有效载荷的过程。RangerTFX是一种灵巧空间机器人系统[13]，具体如图3(c)所示，项目开始于1992年，是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目，如图3(d)所示。5、我国空间机器人概况我国的空间机器人的研究起步较晚，国家高技术领域演示项目——“舱外自由移动机器人系统”EMR，属于一套能够执行行走与操作能力的舱外空间机器人系统，这种移动机器人可以执行拧螺丝、插拔插头及抓拿漂浮物等精细操作；而且该空间机器人可以利用预先输入的操作指令以及空间站遥控，执行对空间站的装配、检测与维修任务并承担照看及维护科学实验等服务的工作。四、空间机器人的战略重要性与意义放眼未来，NASA将会把机器人、遥控机器人和自动系统的研究作为重要策略。美国于2010年6月28日发布的空间探测方案对此也有着重提及。制定这一方针的目的是“追求人机协同的创造性”，以开发创新性的机器人技术，帮助NASA维持并发展机器人在太阳系探索中的应用，并为开展科学实验以及未来的有人操作任务做准备。这一方案也同样指出了实现自动化技术的快速和持续发展，及其成熟应用于大量任务的需求。这些任务还包括能够极大地加强空间探测能力和操作能力的空间电力高效管理系统等。在所有NASA任务部门中，机器人和自动化系统早已发挥着重要作用。正在进行的国际空间站人工作业任务中，包含相当重要的成员组工作任务，要求工作人员与仓内外机器人系统协同维护，并对飞船的在线自动控制及任务控制系统进行支持。未来的探测任务将进一步扩展这种人机协同探索的合作关系。尽管空间飞行中的无人科学任务已经相当机器人化，但其依然与地面的科学站以及操作人员有着紧密联系。未来，NASA将会在更广泛的领域使用这种人机协同探索系统。因此，NASA已经为机器人和自动化系统制定了一份专门的路线图，目标是为未来25年NASA下辖的四个任务部门的多项计划中的空间任务提供技术支持。机器人和自动化技术使NASA受益良多，其中包括：将探索空间延伸到超过载人飞船限制之外的更深远的空间；降低载人飞行带来的巨大成本和风险；提高科研、探索和任务操作的性能表现；增强机器人的任务执行能力；将机器人和自动化变成了生产力倍增器（比如每一个操作员可以控制N个机器人），同时增强机器人着陆和无人飞行器的