空间机器人的研究现状和发展趋势.doc

空间机器人 Jun.，2014机器人技术基础课程论文空间机器人的研究现状和发展趋势学生姓名 XXX 学生班级 材控1105 学生学号 U201111xxx 手机号码 xxxxxxxxxxxxx 华中科技大学材料科学与工程学院空间机器人的研究现状和发展趋势陈松威（华中科技大学 材料科学与工程学院 武汉430074）摘要：空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用，可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进行了详细的分析与介绍，并进行了国内外空间机器人发展的横向对比。鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段，我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。文章最后，结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其发展趋势做出了总结和展望。关键词： 空间机器人；舱内舱外服务机器人；自由飞行机器人；星球探测机器人1引言（introduction）随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征，它已经成为设计科学发展、未来资源乃至国家安全的重大问题。尽管载人航天活动已经有几十年的发展历史，但对于人类来说，太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点。目前，在进行舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服。与人类宇航员相比，空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性：它不需要复杂的生命支持系统；适应空间环境；可以长时间工作；可以降低成本；提高空间探索的效率。空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等发达国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究。可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。我国空间技术在快速发展，仅2010 年就发射了近20 颗卫星。陆续发射了“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”宇宙飞船，并进行了无人交会对接。下一步还将发射“天宫二号”，并争取在2020 年建立长期有人居住空间站。为了实现这个空间战略目标，目前我国正加紧空间机器人的研究计划，这些研究计划的成功实施对进一步发展太空科技，提升战略地位具有十分重要的意义。空间机器人的研究涉及机械学、电子学、力学等多种学科和技术，研究主题很多。本文仅仅综述一下各类空间机器人的研究现状，并结合国内外最新研究成果，对空间机器人的发展趋势进行了预测。2 空间机器人的研究现状（Research status of Space Robot）2.1空间机器人的起源机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。在几千年人类智慧沉淀之后的今天，机器人几经进入了全新的时代：随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等）扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器机器人化机器。图1 空间机器人系统空间机器人（如图1所示）正是当前各个国家竞相创新的新领域机器人之一。其集机械学、电子学、力学、通信、自动控制、信息科学、人工智能和计算机等多门学科于一体，是应用在宇宙空间中的一类特殊机器人。2.2 空间机器人的分类根据不同的划分标准和原则，空间机器人有多种分类方法。其中，按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。下面将依次介绍这几种行星探测机器人的研究状况。 2.2.1舱内舱外服务机器人(Intravehicular/Extravehicula Robot)作为空间站舱内使用的机器人，舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实 验以及空间站的维护。舱内服务机器人可以降低科学实验载荷对航天员的依赖性，在航天员不在场或不参与的情况下也能对科学实验载荷进行照管。舱内服务机器人要求质量轻、体积小，且具有足够的灵活性和操作能力。作为空间站（或者航天飞机）舱外使用的机器人，舱外服务机器人（如图2所示）主要用来提供空间在轨服务，包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等。空间环境是非常恶劣的，如强辐射、高温差和超真空等，这些因素给人类宇航员在太空的生存和活动带来很大的影响和威胁；同时出舱作业的费用是相当昂贵的。因此，舱外服务机器人的研究和实验图 2 舱外服务机器人工作非常重要。以下为舱内舱外服务机器人国际上最新的研究进展：1加拿的空间遥操作机器人系统图 3 SRMS 系统加拿大研制的航天飞机遥操作臂系统(Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)如图3所示，是空间机器人概念产生以来第一个成功应用的空间机械臂系统。该机械臂具有六自由度，全长15.2 m，质量410 kg，空载情况下的最大移动速度可达60 cm/s，臂杆采用碳纤维材料。该机械臂可以由计算机进行编程控制，也可以由宇航员手动控制。SRMS在1981年首次使用，其设计寿命为10年或者100次飞行任务。SRMS由宇航员在舱内进行操作，可以用于展开和回收卫星、组装国际太空站和传送部件。2005年，SRMS协助宇航员成功地完成了“发现者”号航天飞机的热防护系统维修工作。图 4 MSS 系统加拿大耗资10亿美元研制的空间站移动服务系统(Mobile Servicing System, MSS)，如图4所示。 MSS由3部分组成：长17 m的7自由度机械臂系统(Space Station，s Remote Manipulator System, SSRMS)、专用的灵巧机械手( Special Purpose Dexterous Manipulator, SPDM)和移动平台系统(Mobile Base System, MBS)。在遥操作方式下，SSRMS可以在轨道上移动空间站的外围设备，可以在舱外行走，可以进行装配和维修工作。安装在末端的小型双臂灵巧操作器可以为SSRMS提供操作小尺寸物体的能力，完成一些复杂的操作任务，如更换在轨可替换单元( Orbital Replaceable Unit, ORU)等。2001年4月，SSRMS将1吨多重的包装箱传送给“奋进者”号航天飞机上的机械臂SRMS带回地面，实现了机械臂的空间握手。2001年7月，SSRMS在宇航员的控制下成功地实现了密封舱的搬运和装配。2德国航宇中心的ROTEX实验德国宇航中心(DLR)研制的基于多传感器的小型空间机器人系统(ROTEX)如图5所示，是世界上第一个实现地面遥操作的舱内空间机器人实验系统，其主要目标是验证大时延条件下的地一空遥操作。ROTEX系统具有六自由度，可达工作空间为1 m3。ROTEX系统的主要特点是具有多种感知功能：在机械臂末端有刚性和柔性六维力力矩传感器各1个，同时还具有触觉传感器、9个激光测距传感器和1对微型立体摄像机。图 5 ROTEX 系统1993年4月，DLR在哥伦比亚号航天飞机上成功地进行了ROTEX的舱内遥操作实验，包括空间装配、连接断开电气插头和自由漂浮物体抓握等。ROTEX采用了3种操作模式：基于图形预测显示系统的地一空遥操作、基于传感器的离线编程监控式操作以及宇航员主从遥操作模式。 3DLR和NASA的机器人宇航员机器人宇航员的概念最早是由DLR在1997年提出的。当时的背景是：一颗刚刚发射的卫星TV- SAT-I在进入轨道后，其太阳能电池板不能自动打开，而卫星所在的轨道是载人航天无法到达的轨道。因此，DLR提出在移动卫星上安装两个轻型机器人手臂、两个多指灵巧手及一对摄像机组成机器人宇航员，去接近、捕获和维修故障卫星。DLR第三代轻型臂采用全模块化的设计思想。整个臂的质量为1 314kg，负荷约10kg，功耗小于100 w，长约1.2 m，最大关节速度约180/s。它具有七自由度，采用易于折叠的反对称构型，球形腕关节使机器人具有高度的灵活性。驱动系统采用优化设计的高性能ROBO Drive电机，其质量和功耗只相当于普通商业电机的一半。图 6 ROKVISS 系统以DLR第三代轻型臂为基础，DLR研制的空间双关节系统ROKVISS（如图6所示）于2005年在国际空间站上成功完成了若干实验，验证了DLR模块化关节的空间环境适应性以及由地面到国际空间站的远程力感知遥现技术(Telepresentation)，时间延迟在20 ms左右。自1993年，NASA开展了空间遥机器人的大型研究计划，该计划将空间遥机器人分为3个主要的应用领域：在轨装配与维修；科学负载服务和星球表面探测。目前研究工作主要集中在在轨装配维修机器人和星球表面探测机器人两个方面。在NASA的计划中明确提出，采用虚拟现实的人机接口技术和大时延遥操作技术是空间要机器人的关键技术。图 7 Robonaut 计划1999年，NASA研制成功了仿人型的机器人宇航员Robonaut（如图7所示）。它的典型应用背景是国际空间站的舱外作业，将航天服套在Robonaut的外面，其外形与人相似。机器人宇航员的灵巧手具有与人手相近的抓取力-舱外作业条件下具有8h的热承受能力、理 想的运动学、高带宽的动力学响应、冗余自由度（7个）和超过人类手臂的运动范围。它能够使用大部分的舱外作业工具，不需任何特殊的环境设施，并且可以和人类宇航员协同工作。同时，NASA还开发了用于Robonaut的遥操作系统,操作者可利用头盔、数据手套和跟踪器等对Robonaut进行远程操作，切协助宇航员完成舱外操作任务。2.2.2自由飞行机器人(Free Flying Space Robot, FFSR)图 8 自由飞行机器人自由飞行机器人（如图8所示）是指飞行器上搭载机械臂的空间机器人系统，由机器人基座（卫星）和机械臂组成，具有自由飞行和自由漂浮两种工作状态。自由飞行机器人用于卫星的在轨维护和服务，也可在未来的空间战争中攻击敌方卫星。自由飞行机器人的运动学和动力学存在耦合，当工作在自由漂浮状态时，机械臂运动对基座产生的反作用力将改变机器人基座的位置和姿态，此时采用地面固定基座机器人的控制技术难以完成规定的操作任务。以下为自由飞行机器人国际上最新研究进展：1美国DARPA的“轨道快车”项目图 9 轨道快车概念美国国防高级研究计划局(DARPA)“轨道快车”(Orbital Express)项目（如图9所示）的目标是研制一种卫星，它能为安装标准对接机构的卫星提供燃料补充、电子设备和蓄电池更新等服务，其最终客户是商业卫星和军用卫星。DARPA为这些卫星确定一种卫星服务接口标准。研究人员通过分析在轨维护任务所需要的成本和效益，得出的结论是：这种在轨服务可以显籍延长卫星的寿命，并使卫星的运行成本降低20%30%。“轨道快车”项目包括一颗用于在轨服务的ASTRO卫星和一颗名为NextSat的客户卫星。ASTRO卫星上配备机械臂和对接机构，用于捕捉和维护客户卫星。这个机械臂由已成功开发SRMS和SSRMS的加拿大MDA机器人公司负责开发，长3 m。2007年3月，美国把ASTRO和NextSat发射到轨道上并进行了相关试验。在试验中， ASTRO首先接近NextSat卫星到1020 cm的距离；然后ASTRO上的对接机构与NextSat卫星上的相应对接装置进行连接。随着“软捕获”的实现，ASTRO的对接机构把NextSat拉到锁紧螺栓上，使后者处于被锁紧的状态，以便对电路和流体管路的接头进行连接；同时ASTRO将接管NextSat的姿态控制功能。ASTRO还验证了另外一种对接方法采用机械臂进行初始捕获。机械臂末端手爪“柔和”地抓住NextSat，然后把这颗卫星拉到对接机构的操作范围之内，由该对接机构对两颗卫星进行最后的连接。两颗卫星一旦对接成功，ASTRO就可以通过流体管路将燃料输送给NextSat，ASTRO上的机械臂可以把自身携带的轨道替换单元转移到NextSat上。采用机械臂实现捕获的一个优点是可以从几米远的地方抓住客户卫星，并缓慢地将其导人到“捕获通道”中。如果不采用机械臂进行初始对接，服务卫星的推进器必须点火以到达指定的对接位置，然而推进剂产生的气体可能污染客户卫星上的灵敏仪器。另一优点是服务卫星可以采用并列飞行的方式进行捕获，没有必要如对接机构捕获一样，把自身置于客户卫星可能发生碰撞的航向上。如果在捕获过程中发生故障，服务卫星将无碰撞地飞过客户卫星。2日本的ETS卫星图 10 ETS-VII 系统1997年11月，日本航天探测局(JAXA)发射了工程实验七号卫星(ETS)，以进行空间机器人技术的实验研究。ETS（如图10所示）是第一个遥控式自由飞行空间机器人，已成功地进行了多项科学实验任务，实现了大时延条件下的地一空遥操作。在实验中，一个子星（目标卫星）与一个主星（跟踪卫星）进行交会对接。此外，ETS还进行了空间机器人技术实验及数据中继卫星对多星的测控试验。ETS的成功不仅为“希望号”航天飞机与国际空间站日本实验舱及无人空间平台的交会对接做好了准备工作，同时为卫星在轨服务积累了宝贵的经验。ETS的机械臂有6个自由度长约2 m质量约150 kg。每一个关节由直流无刷电机和谐波齿轮进行驱动，电机的旋转角度通过旋转变压器测量得到，手臂的末端定位精度为1.3 mm，移动速度为50 mm/s，负载能力超过40 N 。机械臂的末端手爪上安装有一对立体摄像机，机械臂的第一个关节处装有一个监视摄像机。ETS -的操作模式有两种：基于3D图形预测仿真的遥操作模式和遥编程模式。为了克服大时延对遥操作性能的影响，在ETS机器人实验中采用了多项技术解决大时延问题。建立了基于模型的遥操作系统，该系统采用混合的力位置策略控制机械臂的期望力和期望位置。基于此系统，对安装在ETS上的机械臂进行地面遥操作，成功实现了销孔装配等实验。3英国卫星服务系统图 11在轨卫星修复系统英国轨道修复公司与荷兰航天局合作，提出了在轨卫星修复系统(ConeXpress Orbital Recovery System ORS)用以延长在轨远程通信卫星的寿命，如图11所示。该系统的核心部件为一种特殊的交会对接机构。由于常规卫星不具有特殊的捕获接口，因此对常规卫星进行抓捕需要寻找新的部位，而远地点控制发动机的锥形喷口是一个较好的备选方案。对地静止卫星通常装备远地点控制发动机，它的连接基座具有很高的结构强度。该抓取方法的原理是：对接机构探针深深地插入到锥形喷口中，然后在发动机燃烧室内展开，从而在内部实现抓取。但是在探针插入的过程中，有可能发生碰撞，致使卫星远离抓取操作器。为了防止这种情况发生，提出了一种基于图像的控制方法，防止探针在插入过程中与锥形喷口发生接触。根据英国轨道修复公司的统计，与通信卫星相关的费用包括成本费用、发射费用、保险费用和操作费用，一总费用超过2亿5千万美金，而卫星每年产生的回报将超过5千万美金如果采用ConeXpress ORS对远程通信卫星进行燃料补给，可以使通信卫星的寿命延长10年或更多。ConeXpress ORS还具有卫星的结构，易于由火箭发射。由于它与远程通信卫星的对接接口选择了远地点控制发动机的锥形喷口，因此它适用于目前所有的远程通信卫星。英国轨道修复公司已经选定了大约50颗远程通信卫星作为延长其寿命的目标。 2.2.3星球探测机器人(Planetary Exploration Robot)图 12星球探测机器人星球探测机器人（如图12所示）被用来执行行星和月球等星球表面的探测任务。在星球探测中，机器人用来探测着陆地点，进行科学仪器的放置，收集样品进行分析等。为了满足探测任务要求，与其他用途额空间机器人相比，星球机器人具有更强的自主性，能够在较少地面干预的情况下独立完成任务。以下为自由飞行机器人国际上最新研究进展：1997年，美国发射了火星探路者，其中载有火星漫游机器人索杰纳(Sojourner)。索杰纳质量为11.5 kg，外形尺寸为60 cm40 cm3 5 cm，最大速度为0.01 m/s。它携带的科学仪器有：成像仪，含有2 4个滤光片，对可见光到近红外光的辐射都敏感；仅粒子X射线分光仪，用仪粒子轰击探测目标，分析反射的x射线光谱，从而获知目标的化学成分；一套气象仪器，用于研究火星的大气。该机器入主要用于科学实验，验证导航和运动性能。操作方式为遥操作模式和半自主模式。在遥操作模式下，索遥操作模式和半自主模式。在遥操作模式下，索杰纳接收地面控制人员的控制命令序列，在每个命令周期执行一个命令。2003年，美国NASA发射了火星探测漫游者勇气号(Mars Rover Spirit, MARS)，如图所示。勇气号长1.6 m，重174 kg。所携带的计算机每秒能执行约2 000万条指令。火星可伸出一个桅杆式结构，并具有可拍摄火星表面彩色照片的全景照相机，不断向地面控铺发回火星岩石、土壤和大气的信息并拍摄大量图片。在火星车上装有一个机械臂，称为大，位系统(Instrument Positioning System, IPS)。该机械臂有5个自由度（肩部2个，肘部1个，腕部2个），重量约4 kg，负载能力为2 kg。在机械臂的末端安装有一个相当锤子的工具，能在火星岩石上打出直径45 mm、深5 mm的洞，从而为研究岩石的内部结成分提供了条件。MARS具有自主导航功能，可以自行躲避障碍物。日本空间局计划向月球发射的无人探测器包括轨道器、着陆器和漫游者。安装在月球漫游车Micro5上面的微型机械臂有5个自由度，每个关节由超声电机驱动。该机械臂安装展望镜和取样工具，并且可以操作仪器设备。2.3 我国空间机器人的研究概况图 13 中国EMR空间机器人我国的空间机器人的研究起步较晚，国内的一些研究所和高校，在“八五”期间进行了空间机器人基础项目以及地面仿真平台的研制工作。国家高技术领域演示项目“舱外自由移动机器人系统”EMR（如图13所示），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，如图13 所示。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。空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段。随着我国空间实验室“天宫二号”目标飞行器提上日程，大型空间机械臂研制也在加快进行。通过参考国外成熟的技术和发展经验，发展具有自己空间特色的机器人技术无疑将产生巨大的经济及社会效益。3 空间机器人发展趋势(Development directions of Space Robot)综观国际空间机器人领域的发展现状，空间机器人呈现出以下几个发展趋势:(1)空间机器人由舱内作业(ROTEX)走向舱外服务(ETS)。(2)空间机器人系统的智能化程度更高(如ETS、SSRMS、NASA)，过去只能由人类宇航员实现的危险作业逐步由遥操作或半自主操作的空间作业机构代替。(3)基于图形预测仿真的大时延遥操作成为空间机器人系统的重要组成部分( ROTEX、ETS -)。(4)基于触觉和视觉传感功能、具有临场感的远程遥操作成为空间作业系统的基本功能(ROKVISS等)。(5)由于通信时延和微重力作用的缘故，中低速移动机器人将是未来空间机器人研制的主流。(6)机械结构设计与控制方案相结合是研制灵活可靠的空间机器人的未来主流设计方向。4 结论(Conclusion)本文根据用途不同，对空间机器人进行了明确分类，对各类空间机器人的发展情况进行了详细的介绍，并在文末对空间机器人的发展趋势做出了猜想。空间机器人因可代替人类宇航员完成一些列复杂、危险的操作任务，在宇航探索和开发的空中优势争夺中扮演了重要的角色。在西方发达国家中，空间机器人已经得到了较为全面的开发与应用，囿于国内相关领域起步较迟，我国关于空间机器人的研究仍处于探索阶段。为进一步发展太空科技，提升战略地位。我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。参考文献(References)1 张文辉, 叶晓平, 季晓明, 等. 国内外空间机器人技术发展综述D. 哈尔滨工业大学 航天学院, 2013-04-09 .2 刘宏. 空间机器人及其遥操作M. 哈尔滨工业大学出版社, 2012-9-1.3 陈胜军. 我国空间机器人RSM 问题的若干基本问题探讨D. 南京:东南大学仪器科学与工程系, 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