國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述

張文輝，葉曉平，季曉明，吳夏來，朱銀法，王超

（1.麗水學(xué)院工學(xué)院，浙江麗水 323000；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，探索太空的活動(dòng)得到了進(jìn)一步延伸，人類完成了從大氣層到外層空間，從月球到火星的逐步拓展。航天技術(shù)經(jīng)歷了從發(fā)射衛(wèi)星到建立空間站的一系列發(fā)展，宇宙太空已成為人類另一個(gè)生存和工作的空間。但太空環(huán)境是一個(gè)微重力、高真空、強(qiáng)輻射、大溫差的惡劣環(huán)境，威脅著宇航員對(duì)于宇宙太空的進(jìn)一步探索。在這樣危險(xiǎn)的環(huán)境中，采用空間機(jī)器人協(xié)助或代替宇航員完成大量艱巨危險(xiǎn)的任務(wù)正成為世界各空間大國(guó)的一致目標(biāo)［1-2］。

不僅如此，空間飛行器的很多作業(yè)由于高危性以及成本限制也需要空間機(jī)器人來完成，這些作業(yè)包括:通過機(jī)械手臂捕捉失效衛(wèi)星進(jìn)行回收利用、在軌修理飛行器及補(bǔ)充燃料以延長(zhǎng)飛行器工作壽命、進(jìn)行大型空間機(jī)構(gòu)的搬運(yùn)和組裝、清理太空垃圾以避免與衛(wèi)星相撞、進(jìn)行航天飛機(jī)和空間站的對(duì)接分離操作等，因此研究空間機(jī)器人對(duì)于航天技術(shù)發(fā)展具有重要意義［3-4］。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示［5］，目前全世界每年發(fā)射的衛(wèi)星數(shù)目為80～130顆，然而大約有2%的衛(wèi)星未能正確進(jìn)入軌道，已進(jìn)入軌道的有8%左右的衛(wèi)星不到30天即宣告失效。不計(jì)科研人力浪費(fèi)，僅從研制到發(fā)射的投入資金來說，就造成了巨大損失。例如我國(guó)于2006年10月發(fā)射的“鑫諾二號(hào)”衛(wèi)星，由于太陽(yáng)帆板及天線未能順利展開而變成了一顆廢星。不包括火箭發(fā)射費(fèi)用，僅這顆衛(wèi)星就耗資20億人民幣。如果衛(wèi)星自身安裝有機(jī)械手，那么在事故發(fā)生后通過及時(shí)維修是有可能避免損失的。

我國(guó)空間技術(shù)在快速發(fā)展，僅2010年就發(fā)射了近20顆衛(wèi)星，以后又陸續(xù)發(fā)射了“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器和“神舟八號(hào)”宇宙飛船，并進(jìn)行了無人交會(huì)對(duì)接。下一步還將發(fā)射“天宮二號(hào)”，并爭(zhēng)取在2020年建立長(zhǎng)期有人居住空間站［6］。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)空間戰(zhàn)略目標(biāo)，目前我國(guó)正加緊空間機(jī)器人的研究計(jì)劃，這些研究計(jì)劃的成功實(shí)施對(duì)進(jìn)一步發(fā)展太空科技、提升戰(zhàn)略地位具有十分重要的意義。

1 空間機(jī)器人概述

空間機(jī)器人主要由空間機(jī)器人基體及搭載在基體上的機(jī)械臂組成，可以在太空中完成各種任務(wù)作業(yè)。例如:衛(wèi)星的釋放和回收、空間站的維修以及飛行器燃料的加注等［7］。而這些任務(wù)很難由宇航員獨(dú)立完成，通常需要借助空間機(jī)器人協(xié)助執(zhí)行。執(zhí)行任務(wù)的空間機(jī)器人系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 空間機(jī)器人系統(tǒng)Fig.1 Space robot system

空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的顯著區(qū)別是空間機(jī)器人的基體（衛(wèi)星）不是固定的，而是在太空中處于自由飛行或浮游狀態(tài)，這樣相對(duì)于地面機(jī)器人系統(tǒng)增加了六個(gè)自由度?？臻g飛行器基體姿態(tài)和位置的調(diào)整通常利用動(dòng)量輪或反作用噴氣推力器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這無疑浪費(fèi)了寶貴的有限燃料，縮短了空間飛行器的壽命。按照空間飛行器的基體姿態(tài)和位置是否可控，可以分為三種情況:第一種為基體位置及姿態(tài)均可控，這等同于地面機(jī)器人；第二種為基體位置不可控，姿態(tài)可控，這主要針對(duì)某些具有一定姿態(tài)要求的通訊衛(wèi)星進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；第三種為基體位置及姿態(tài)均不可控，即自由漂浮空間機(jī)器人，這種機(jī)器人最大范圍內(nèi)節(jié)省了燃料，延長(zhǎng)了壽命。

2 國(guó)外空間機(jī)器人發(fā)展概況

2.1 加拿大空間機(jī)器人概況

世界上第一個(gè)成功應(yīng)用于飛行器的空間機(jī)器人系統(tǒng)為加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系統(tǒng)［8］，如圖2（a）所示。該機(jī)械臂總長(zhǎng)15.2 m，由一個(gè)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)組成，其主要功能為投放衛(wèi)星進(jìn)入恰當(dāng)?shù)能壍篮途S修失效衛(wèi)星等，該機(jī)械臂還修理過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。

在此基礎(chǔ)上，加拿大MD Robotic公司繼而開發(fā)了應(yīng)用于空間站的遙控機(jī)械臂系統(tǒng)MSS［9］，如圖2（b）所示。該系統(tǒng)主要由活動(dòng)基體系統(tǒng)、空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SSRMS）及專用靈巧機(jī)械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS是一個(gè)七自由度機(jī)器人，由兩個(gè)臂桿組成，主要用于大型物體搬運(yùn)和組裝；SPDM是SSRMS臂的靈巧手，長(zhǎng)約3.5 m，質(zhì)量約1 660 kg；靈巧機(jī)械臂的本體裝配在遙控機(jī)械臂系統(tǒng)的末端來執(zhí)行一些更加細(xì)致的操作任務(wù)［10］。

圖2 加拿大的空間機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.2 Canadian space manipulators systems

2.2 美國(guó)空間機(jī)器人概況

美國(guó)從20世紀(jì)80年代初就陸續(xù)開展了空間機(jī)器人的研究項(xiàng)目，其主要研究項(xiàng)目有FTS，Skyworker，Robonaut，Ranger和軌道快車等，如圖 3 所示。

FTS是美國(guó)最早的空間機(jī)器人研究項(xiàng)目，主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測(cè)等繁雜任務(wù)［11］。FTS由兩個(gè)機(jī)械臂及一個(gè)定位腿組成，屬于類人機(jī)器人，機(jī)械臂可以在高靈巧系統(tǒng)中于工作空間內(nèi)無奇點(diǎn)地提供89 N的力和27 Nm的力矩。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，力/力矩傳感器安裝在機(jī)械臂末端，工作于遙操作模式下，如圖3（a）所示。

Skyworker由卡耐基-梅隆大學(xué)研制，屬于附著移動(dòng)機(jī)器人［12］，如圖3（b）所示。該機(jī)器人借助于所在支撐平臺(tái)的反作用力，移動(dòng)并操縱各種載荷進(jìn)行工作。當(dāng)承載載荷較大時(shí)，采用連續(xù)的步態(tài)保持負(fù)載勻速運(yùn)動(dòng)，避免每一步均進(jìn)行加減速。這種工作方式可以在反作用力最小的情況下使得能量利用率更高，是一種能夠?qū)Υ罂臻g結(jié)構(gòu)自主裝配、監(jiān)測(cè)和維修的低成本機(jī)器人。

Ranger TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)［13］，具體如圖3（c）所示，項(xiàng)目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目，如圖3（d）所示。

Robonaut是NASA開發(fā)的空間類人機(jī)器人［14］，如圖3（e）所示。它是一個(gè)多自由度靈巧機(jī)器人，主要是作為助手與航天員一起工作，并執(zhí)行日常維修任務(wù)?！败壍揽燔嚒庇?jì)劃是在1999年公布的，如圖3（f）所示。主要用于開發(fā)研究未來空間在軌補(bǔ)給和修復(fù)、重構(gòu)等技術(shù)，實(shí)驗(yàn)修復(fù)衛(wèi)星，進(jìn)行各類儀器的太空試驗(yàn)，并利用在軌飛行演示與驗(yàn)證［15］。

圖3 美國(guó)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.3 American space manipulator systems

2.3 歐洲空間機(jī)器人概況

德國(guó)是歐洲國(guó)家中對(duì)空間機(jī)器人研究比較重視的國(guó)家，空間機(jī)器人研究主要有ROTEX項(xiàng)目、ESS項(xiàng)目、ROKVISS項(xiàng)目和 TECSAS項(xiàng)目等，如圖 4所示。

ROTEX項(xiàng)目于1986年開始，是一個(gè)小型六軸機(jī)器人系統(tǒng)［16］，1993年在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行演示，執(zhí)行了抓取物體、機(jī)械裝配及拔插電插頭等多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是世界上首例具有地面遙操作功能的空間機(jī)器人，具體組成如圖4（a）所示。

ESS項(xiàng)目如圖4（b）所示，是為GEO軌道通信衛(wèi)星進(jìn)行服務(wù)的，其主要任務(wù)是將ROTEX中已經(jīng)驗(yàn)證的遙操作思想用于自由空間環(huán)境中執(zhí)行衛(wèi)星服務(wù)。

ROKVISS由一個(gè)兩關(guān)節(jié)機(jī)器人及相關(guān)輔助設(shè)備共同組成，主要用于驗(yàn)證機(jī)械臂的功能，如圖4（c）所示［17］。該項(xiàng)目于2004年跟隨俄羅斯進(jìn)步號(hào)宇宙飛船發(fā)射升空，然后在ISS上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［18］。

TECSAS項(xiàng)目是2003年德國(guó)宇航中心資助研究的［19］，如圖4（d）所示。該項(xiàng)目計(jì)劃采用目標(biāo)衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，其中機(jī)械臂和手抓取系統(tǒng)安裝在跟蹤衛(wèi)星上，能夠?qū)臻g設(shè)備維修及服務(wù)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖4 德國(guó)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.4 German space manipulator systems

歐空局的空間機(jī)器人研究項(xiàng)目主要有地球靜止軌道服務(wù)車GSV和服務(wù)于空間站的歐洲臂ERA。

GSV的概念提出于1990年，主要任務(wù)是對(duì)地球靜止軌道衛(wèi)星進(jìn)行服務(wù)，GSV的具體外形如圖5（a）所示［20］。ERA是一個(gè)可重定位的、完全對(duì)稱的7關(guān)節(jié)機(jī)械臂［21］，如圖5（b）所示。ERA操作時(shí)采用固定其中的一端，而另一端作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來進(jìn)行操作，它可以工作于三種模式，分別為自主模式、預(yù)編程操作模式以及手動(dòng)控制模式等。

圖5 歐空局的空間機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.5 ESA space manipulator systems

意大利空間局ISA設(shè)計(jì)了具有高度自主性的自由飛行空間機(jī)器人SPIDER系統(tǒng)，主要任務(wù)是對(duì)在軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行近距離的監(jiān)測(cè)以及維修［22］，這在空間機(jī)器人領(lǐng)域是一個(gè)戰(zhàn)略性的長(zhǎng)期項(xiàng)目。SPIDER的機(jī)械臂共有7個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 意大利的SPIDER系統(tǒng)Fig.6 Italy SPIDER system

2.4 日本空間機(jī)器人概況

日本在空間機(jī)器人領(lǐng)域取得了很大成功，其中主要的有MFD項(xiàng)目和ETS-VII項(xiàng)目，如圖7所示。這些項(xiàng)目均取得了極大的成功，未來日本將在國(guó)際空間站的日本艙段裝配JEMRMS系統(tǒng)。

MFD系統(tǒng)是日本的第一個(gè)空間機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［23］，在1997年于“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)上成功進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)，如圖7（a）所示。其主要作用為:（1）對(duì)空間機(jī)械臂性能進(jìn)行評(píng)估；（2）對(duì)空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)人機(jī)接口的性能進(jìn)行評(píng)估；（3）采用機(jī)械臂對(duì)ORU的安裝與卸載、門的開及關(guān)等能力進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)；（4）對(duì)地面遙操作進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)等。

ETS-VII是世界上第一個(gè)真正的自由飛行空間機(jī)器人系統(tǒng)，如圖7（b）所示［24］，于1997年發(fā)射升空。其主要目的是科學(xué)實(shí)驗(yàn):一是兩顆衛(wèi)星的交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn)；二是對(duì)空間機(jī)器人做各種操作實(shí)驗(yàn)。ETS-VII空間機(jī)器人具有六自由度；長(zhǎng)2.4 m，重約150 kg；第一關(guān)節(jié)與最后關(guān)節(jié)處分別安裝有一個(gè)相機(jī)。

圖7 日本的空間機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.7 Japan space manipulator systems

JEMRMS是用于空間操作的機(jī)器人系統(tǒng)［25］，NASDA負(fù)責(zé)研制。該機(jī)器人由主臂和小臂SFA串聯(lián)組成，主臂長(zhǎng)約10 m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)和2個(gè)臂桿組成；小臂長(zhǎng)約2 m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)、2根臂桿以及一個(gè)末端效應(yīng)器組成。宇航員執(zhí)行任務(wù)時(shí)可以借助于這兩個(gè)臂桿進(jìn)行更多的操作，圖8為JEMRMS搬運(yùn)有效載荷的過程。

圖8 日本的JEMRMS系統(tǒng)Fig.8 Japan JEMRMS system

3 國(guó)內(nèi)空間機(jī)器人概況

我國(guó)的空間機(jī)器人的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)的一些研究所和高校在“八五”期間進(jìn)行了空間機(jī)器人基礎(chǔ)項(xiàng)目以及地面仿真平臺(tái)的研制工作。國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域演示項(xiàng)目——“艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)”EMR，屬于一套能夠執(zhí)行行走與操作能力的艙外空間機(jī)器人系統(tǒng)［26］，如圖9所示。這種移動(dòng)機(jī)器人可以執(zhí)行擰螺絲、插拔插頭及抓拿漂浮物等精細(xì)操作；而且該空間機(jī)器人可以利用預(yù)先輸入的操作指令以及空間站遙控，執(zhí)行對(duì)空間站的裝配、檢測(cè)與維修任務(wù)，并承擔(dān)照看及維護(hù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)等服務(wù)工作。

圖9 中國(guó)的EMR空間機(jī)器人Fig.9 China EMR space robot system

4 結(jié)束語(yǔ)

空間機(jī)器人在國(guó)外已經(jīng)獲得較好的應(yīng)用，而在國(guó)內(nèi)目前還處于探索階段。隨著我國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室“天宮二號(hào)”目標(biāo)飛行器提上日程，大型空間機(jī)械臂研制也在加快進(jìn)行。本文分別從空間機(jī)器人的概念、結(jié)構(gòu)、用途等方面進(jìn)行了論述，詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀。通過參考國(guó)外成熟的技術(shù)和發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展具有自己空間特色的機(jī)器人技術(shù)無疑將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。

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