極限作業(yè)機器人系列（八）——空間機器人

極限作業(yè)機器人（robot under critical working condition）是可以在人為難以接受的環(huán)境下工作的工業(yè)機器人，空間機器人則是其中用于完成特定空間任務(wù)的一類機器人。

（科幻電影中的空間機器人）

空間機器人(Space Robots)是用于代替或協(xié)助人類在太空中進行科學(xué)試驗、出艙操作、空間探測等活動的特種機器人。相對于地球環(huán)境, 太空環(huán)境非常惡劣, 充滿不確定性, 微重力、高真空、強輻射、極限溫度、照明差……航天員在空間中活動充滿危險，空間機器人代替宇航員出艙活動可以大幅度降低風(fēng)險和成本，而且在無人的航天科學(xué)探索活動中，機器人能有效擴展人類的活動和操控范圍。因此，研發(fā)功能強大、操作靈活、具備高度智能的空間機器人協(xié)助人類探索太空, 是助推航天事業(yè)發(fā)展的一個重要技術(shù)領(lǐng)域。

（正在作業(yè)的空間機器人）

按照用途的不同, 空間機器人可以分為在軌服務(wù)機器人和星球探測機器人兩大類。其中, 在軌服務(wù)機器人分為艙內(nèi)/外服務(wù)機器人和自由飛行機器人。艙內(nèi)/外服務(wù)機器人一般是指安裝或工作于空間站, 協(xié)助航天員完成各種任務(wù)的機器人系統(tǒng), 最典型的是國際空間站和安裝在航天飛機上的大型機械臂。自由飛行機器人一般是指飛行器安裝機械臂組成用于空間在軌服務(wù)的機器人系統(tǒng)。星球探測機器人一般是指執(zhí)行地外星體探測的機器人系統(tǒng), 如月球車、火星車等。

（形形色色的空間機器人）

空間機器人按功能進行劃分，主要分為空間機械臂機器人與類人機器人兩大類。空間機械臂機器人具有廣泛豐富的用途和強大靈活的功能，是最早應(yīng)用的一類空間機器人，是空間站建設(shè)、維護和使用的關(guān)鍵設(shè)備，也可以完成對接、搬運等任務(wù)。類人機器人更加靈活且具有更高智能性，可以與人類宇航員協(xié)作或代替人完成特殊復(fù)雜、靈活多變的任務(wù)?？芍苯哟畛溯d人航天器和使用人類航天裝備，與人類進行直接的交流合作，是現(xiàn)今空間機器人發(fā)展的主要領(lǐng)域。

（空間機械臂）

（俄羅斯研制的空間類人機器人）

自20世紀70年代空間機器人概念提出、20世紀90年代空間機器人的首次在軌驗證起，針對空間機器人技術(shù)的驗證或航天器任務(wù)的需求，我國及美國、日本、加拿大、德國、歐空局等至今已開展了數(shù)以百計的空間機器人系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計，在解決工作環(huán)境難以模擬、“穩(wěn)準狠”地抓取目標、惡劣環(huán)境下保證可靠性等技術(shù)難題方面不斷取得突破。

（空間機器人在執(zhí)行任務(wù)）

國際空間站是目前空間機器人系統(tǒng)應(yīng)用較多、較成功的領(lǐng)域，艙外配備了加拿大機械臂、日本實驗艙機械臂、靈巧機械手等，艙內(nèi)開展了機器人宇航員等機器人驗證，形成了大中小多規(guī)格、艙內(nèi)外全范圍、工程應(yīng)用與技術(shù)驗證并重的立體化配置格局。

（國際空間站）

航天飛機遙操作機械臂SRMS（Shuttle Remote Manipulator System）是世界上第一個實用的空間機械臂，由加拿大MDA公司研制，也被稱為加拿大機械臂（Canadarm）。1981年，SRMS首次被使用，1990—2002年間實現(xiàn)了哈勃望遠鏡的多次在軌維修，1998年實現(xiàn)了在國際空間站美國“團結(jié)號”節(jié)點艙與俄羅斯“曙光號”首次組裝任務(wù)。SRMS主要用于物資搬運、輔助航天員出艙活動和航天飛機在軌檢測等任務(wù)

（SRMS執(zhí)行的首次空間在軌組裝任務(wù)）

國際空間站移動服務(wù)系統(tǒng)MSS（Mobile Servicing System）是國際空間站上最復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，由移動基座系統(tǒng)、空間站遙控機械臂、末端靈巧機械手及移動傳輸器4個部分組成。它的主要任務(wù)是輔助空間站在軌組裝、大型負載搬運、ORU更換、航天員艙外活動輔助、空間站輔助維修等。

（空間機器人在執(zhí)行任務(wù)）

作為大型、載人的航天器，國際空間站為各國空間機器人演示驗證提供了得天獨厚的先天條件，不少國家的機器人相繼進入國際空間站開展了技術(shù)驗證。德國的ROKVISS項目于2004年在國際空間站進行了飛行試驗，它包括兩個關(guān)節(jié)、立體相機、控制器等，主要驗證DLR高集成度、模塊化、輕量化關(guān)節(jié)、自動控制、力反饋遙操作等不同控制模式。

（ROKVISS驗證平臺組成）

2011年NASA與通用公司GM聯(lián)合研制的第二代機器人宇航員R2（Robonaut2）進入國際空間站。R2在形體上具有頭部、頸部、軀干、雙臂、多指靈巧手等人類特征，全身共42個自由度，其中包括3自由度頸部、2個7自由度的手臂、2個12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，可達到類人的工作能力；集成了視覺相機、紅外相機、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約三百多個傳感器，是典型多傳感器集成的復(fù)雜系統(tǒng)。R2在2014年配置了雙腿，腿的末端配置扶手抓取工具，使之具備出艙服務(wù)移動能力。

（機器人宇航員R2在國際空間站）

2013年8月，日本“鸛”號貨運飛船搭載發(fā)射了小型機器人宇航員“KIROBO”，其身高約34 cm，重約1 kg，可以與人進行交流并且具有肢體語言，其主要任務(wù)為與國際空間站日本宇航員對話，消除宇航員在軌寂寞感。

（小型機器人宇航員“KIROBO” ）

2019年8月，俄羅斯聯(lián)盟號飛船搭載發(fā)射人形機器人Skybot F-850至國際空間站，它是具備四肢的空間仿人機器人，具備模仿航天員作業(yè)的能力。在國際空間站約半月的測試中，F(xiàn)-850測試了開啟艙門、傳遞工具、模擬艙外活動等試驗。

（Skybot F-850在國際空間站）

在軌服務(wù)機器人迅猛發(fā)展的同時，星球探測機器人的研發(fā)也取得了豐碩成果。與其它用途的空間機器人相比, 星球探測機器人應(yīng)具有更強的自主性, 能夠在無人干預(yù)或較少干預(yù)的情況下獨立完成在地外星體完成探測著陸地點、科學(xué)儀器放置、收集樣品進行分析等各項任務(wù)。

（星球探測機器人）

20世紀60年代末和70年代初, 蘇聯(lián)和美國分別發(fā)展了無人月球車和有人駕駛的月球車, 這些月球車的運行距離達40km。在月球表面, 要面對的特殊挑戰(zhàn)是多塵埃、低重力和接近真空的空間環(huán)境。當時, 美國的月球漫游車 (LRV) 和蘇聯(lián)的月球車-1 (Lunokhod) 的尺寸和質(zhì)量都較大, 長度約2m, 質(zhì)量超過700kg。蘇聯(lián)的月球車-1是世界上第一個著陸到月球表面的無人月球車, 它是由1970年11月發(fā)射的月球-17 (Luna-17) 探測器送到月球表面的, 登月點位于北緯38°18′、西經(jīng)35°的雨海。它行駛了10.5km, 考察了約80000平方米的月球表面。

（蘇聯(lián)的月球車-1 ：Lunokhod ）

進入21世紀, 隨著航天技術(shù)的發(fā)展, 月球及行星探測的廣度和深度也不斷加大。世界主要航天大國紛紛提出新的探測計劃, 美國已開始實施重返月球計劃。歐洲、日本、印度等都制定了月球和行星探測計劃。

（美國的阿波羅號月球車）

火星探測也是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向, 目前美國處于絕對領(lǐng)先地位。美國分別在1997年、2003年、2011年發(fā)射了索杰納號、勇氣號、機遇號和好奇號火星車, 開展了一系列火星探測活動與試驗。

（嫦娥三號及嫦娥四號月面巡視器）

好奇號火星探測器是NASA研制的一臺探測火星任務(wù)的火星車, 于2011年11月發(fā)射, 2012年8月成功登陸火星表面。它是美國第7個火星著陸探測器、第4臺火星車, 也是世界上第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車, 其使命是探尋火星上的生命元素。項目總投資26億美元, 是截至2012年最昂貴的火星探測項目。

（好奇號火星車）

中國空間機器人研究起步較晚, 但是隨著中國綜合國力的增強和航天技術(shù)的快速發(fā)展, 在空間機器人領(lǐng)域, 中國也開展積極探索和研究, 完成了多項空間驗證實驗, 多項關(guān)鍵技術(shù)取得突破, 與國際先進水平差距逐漸縮小。2013年中國發(fā)射了第一臺空間機械臂, 并完成了一系列空間操作實驗, 標志著中國空間機器人技術(shù)進入世界先進水平行列。2016年6月25日, 由中國運載火箭技術(shù)研究院主持研制的空間碎片主動清除空間機器人搭乘長征7號運載火箭進入軌道, 完成了利用空間機械臂進行空間碎片主動清除及非合作目標探測與抓捕實驗, 取得圓滿成功。

（中國太空機械臂）

2016年中國進行了國際首次人機協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗, 該項試驗主要面向航天設(shè)備在軌組裝及拆卸任務(wù), 探索人機協(xié)同完成在軌維修典型作業(yè), 為空間機器人在軌服務(wù)積累經(jīng)驗。2016年10月19日, 天宮二號與神舟十一號對接后, 航天員與隨天宮二號發(fā)射入軌的機械手協(xié)同完成了拿電動工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學(xué)試驗。該項目由哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國空間技術(shù)研究院、北京理工大學(xué)共同完成。

（天宮二號機械臂靈巧手旋擰操作試驗）

2019年1月3日，中國“嫦娥四號”探測器成功實現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸并釋放月球車“玉兔二號”。這是月亮上的第7輛車，重135公斤，設(shè)計壽命為3個月，可駛過20厘米高的石頭，最快每小時走200米，是史上最輕的月球車。新版月球車繼承了嫦娥三號“玉兔”的全景相機、測月雷達和紅外成像光譜儀，可拍攝月表高分辨率的彩色圖像，探測巡視路線上月壤厚度和結(jié)構(gòu)，及對月表物質(zhì)成分和可利用資源開展調(diào)查。

（玉兔2號月球車）

2020年17日1時59分，嫦娥五號返回器安全著陸，帶回月球風(fēng)暴洋區(qū)域的鉆取和表取樣品，成功完成中國首次地外天體采樣返回任務(wù)，使中國成為世界上第二個月球無人自主采樣返回的國家。

（玉兔2號在月面執(zhí)行任務(wù)）