空間機器人發(fā)展現(xiàn)狀與思考

林益明李大明王耀兵王友漁

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

（2空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094）

空間機器人發(fā)展現(xiàn)狀與思考

林益明1，2李大明1，2王耀兵1，2王友漁1，2

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

（2空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室，北京 100094）

介紹了空間機器人的基本概念、特點和發(fā)展歷程，在簡述我國空間機器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點介紹了我國空間站機械臂、嫦娥三號巡視器和嫦娥五號采樣機械臂等空間機器人的研制情況。結(jié)合我國空間機器人型號研制和技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗和教訓(xùn)，對我國空間機器人未來發(fā)展應(yīng)關(guān)注的一些問題提出了建議。

空間機器人；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展思考

1 引言

空間機器人是在太空中執(zhí)行空間站建造與運營支持、衛(wèi)星組裝與服務(wù)、行星表面探測與實驗等任務(wù)的一類特種機器人。美國航空航天局探索小組（NASA Exploration Team，NEXT）按其執(zhí)行的任務(wù)，將空間機器人分為在軌操作機器人和星表探測機器人兩類［1-2］，前者包括在軌組裝、維護、檢查和輔助航天員活動等空間機器人，后者包括巡視移動、樣品采集、科學(xué)測量和輔助航天員探測等各類機器人。

隨著人類空間探索活動的不斷深入，航天器的規(guī)模和復(fù)雜程度達到了前所未有的程度，如“國際空間站”（ISS）包括13個艙段、歷時10余年才在軌組裝而成，而未來空間太陽能電站的建設(shè)需在軌構(gòu)建尺寸達到千米級的大型空間設(shè)施；人類對于深空的探索方興未艾，月球、火星、小行星等星體探測成為當前熱點，探測的深度和廣度也達到了一個新的階段，如機遇號火星車在火星上行程超過40 km，探測時間已達11年之久。此類航天活動，一方面涉及大型復(fù)雜航天器的在軌組裝與服務(wù)，另一方面涉及星體表面大范圍的巡視與探測。為確保任務(wù)的安全、高效完成，空間機器人成為實現(xiàn)任務(wù)的主要工具和手段。

到目前為止，空間機器人已經(jīng)在“國際空間站”、月球探測和火星探測等任務(wù)中得到廣泛而成功的應(yīng)用；此外，國外還通過開展“軌道快車”（Orbital Express）［3］、工程試驗衛(wèi)星-7（ETS-VII）［4］等在軌技術(shù)驗證項目，嘗試利用空間機器人完成在軌故障衛(wèi)星的維修和服務(wù)，進一步將空間機器人的應(yīng)用范圍擴展到在軌服務(wù)領(lǐng)域。因此，采用空間機器人代替或協(xié)助航天員執(zhí)行空間任務(wù)，不僅是未來空間任務(wù)之必需，同時在成本、效率等方面也具有突出的優(yōu)勢［5］。

本文對空間機器人的發(fā)展歷程進行回顧，簡述我國空間機器人的研制情況和研究成果，探討未來空間機器人的發(fā)展需求和發(fā)展趨勢，在此基礎(chǔ)上對空間機器人后續(xù)發(fā)展需重點關(guān)注的技術(shù)問題給出了建議。

2 空間機器人的主要特點

空間機器人是在太空中使用的特種機器人，由于其應(yīng)用環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致空間機器人本身具有如下特點：

（1）空間環(huán)境適應(yīng)性強。環(huán)境條件包括：發(fā)射段力學(xué)環(huán)境、空間高低溫、軌道微重力或星表重力、超真空、空間輻照、原子氧、復(fù)雜光照、空間碎片等。

（2）長壽命高可靠。需要在星上資源受限的條件下實現(xiàn)長壽命，以及在無維護情況下實現(xiàn)高可靠。

（3）多任務(wù)適應(yīng)能力強。機器人面臨的任務(wù)包括捕獲、搬運、固定、更換、加注、重構(gòu)、移動等，需集多功能于一體。

（4）經(jīng)歷工況更加復(fù)雜。需滿足地面驗證段、發(fā)射段、在軌段（甚至在地外天體著陸段、表面工作段）不同工況，使系統(tǒng)設(shè)計約束大幅增加。

（5）地面驗證難度大。由于上述特點，再考慮空間機器人自由度多、應(yīng)用場景存在不確定性等因素，導(dǎo)致地面驗證難度大幅增加。

3 國外空間機器人發(fā)展現(xiàn)狀

1981年，加拿大研制的航天飛機遙控機械臂系統(tǒng)（SRMS）隨哥倫比亞號航天飛機入軌［6］，成為世界上第一個實現(xiàn)空間應(yīng)用的在軌操作機器人。之后，德國研制了技術(shù)驗證機器人ROTEX，對機器人地面遙操作技術(shù)進行了全面而深入的驗證［7］。1997年，日本發(fā)射了世界上第一個自由飛行機器人（ETS-VII），并完成了空間目標抓捕、衛(wèi)星模塊更換等在軌操作技術(shù)驗證工作［3］。2007年，美國通過“軌道快車”項目也完成了類似的驗證［4］?！皣H空間站”的建設(shè)與運營需求有力地推動了空間機器人技術(shù)的發(fā)展，2001年“國際空間站”遙控機械臂系統(tǒng)（SSRMS）入軌，2008年加拿大特殊用途靈巧機械臂（SPDM）、日本實驗艙機械臂（JEMRMS）相繼進入“國際空間站”［8-9］，上述機器人在“國際空間站”的建造、維護和艙外實驗等方面獲得了成功應(yīng)用。2011年，仿人形機器人航天員（Robonaut-2）進入“國際空間站”，并成功開展了各類靈巧操作的技術(shù)驗證，證明了機器人在代替航天員執(zhí)行空間操作方面存在著巨大潛力［10］。目前，基于靈巧操作機器人的航天器在軌組裝與服務(wù)技術(shù)成為各國研究的熱點（如美國提出了鳳凰計劃［11］、德國提出了軌道服務(wù)任務(wù)［12］等），可以預(yù)見，未來在軌操作機器人的發(fā)展將更加迅猛。

星表探測機器人的應(yīng)用最早見于20世紀70年代，蘇聯(lián)月行車-1/2（Lunokhod-1/2）于1970年和1973年相繼成功登陸月球［8，13］，標志著星表探測機器人進入實際應(yīng)用階段。1971年7月30日，由阿波羅15號飛船攜帶的美國載人月球車（LRV）登陸月球，成為世界上最早實現(xiàn)空間應(yīng)用的載人月球車［14］。l971年，蘇聯(lián)火星車PROP-M隨蘇聯(lián)自動考察站火星-3探測器登上火星，這是世界上第一輛火星探測車［13］。1997年至2004年，美國旅居者號（Sojourner）［8］、勇氣號（Spirit）和機遇號（Opportunity）［8，15］火星車先后登陸火星，掀起了火星巡視探測的高潮。2012年，美國好奇心號（Curiosity）［16］著陸火星，成為目前執(zhí)行任務(wù)的功能最為強大的火星車。需要說明的是，美國最新的火星車上均配置了機械臂作為執(zhí)行探測任務(wù)的主要工具，從而使得星表探測機器人具備了強大的星表操作能力。此外，鳳凰號（Phoenix）火星探測器上也配置了4自由度的采樣機械臂［17］，作為執(zhí)行火壤樣品采集任務(wù)的核心設(shè)備。2005年以來，美國為滿足其對月球進行全面深入探測的需要，由噴氣推進實驗室牽頭研制了大型月面移動機器人——全地形適應(yīng)的六腿式地外探測器（ATHLETE）［18］，其主要特點是采用腿式移動方式，并可通過改變構(gòu)型變化為輪式移動，是一種對行星表面地形適應(yīng)能力更強的新型星表探測機器人。

國外空間機器人發(fā)展歷程參見圖1和圖2。

圖1 國外星表探測機器人發(fā)展歷程Fig.1 Process of development of territorial robots abroad

圖2 國外在軌操作機器人發(fā)展歷程Fig.2 Process of development of space manipulate robots abroad

4 我國空間機器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國空間機器人技術(shù)研究開始于20世紀90年代，多年來中國科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國空間技術(shù)研究院等單位針對空間機器人開展了大量研究，并取得了豐碩的成果。面向我國空間站建造與運營、月球探測、火星探測等工程任務(wù)需求，我國自行研制了多套空間機器人系統(tǒng)，部分產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了空間應(yīng)用，多項關(guān)鍵技術(shù)獲得驗證。

空間站核心艙機械臂、嫦娥三號巡視器、嫦娥五號月球表面采樣機械臂是我國研制的幾個典型的空間機器人系統(tǒng)，相關(guān)情況介紹如下。

4.1 空間站核心艙機械臂

我國空間站包括核心艙、實驗艙I和實驗艙II、節(jié)點艙（圖3），其中，核心艙配置大型機械臂［19］。要求機械臂具有首尾互換的“爬行”功能，通過爬行覆蓋艙外大部分操作區(qū)域。

圖3 我國空間站基本構(gòu)型Fig.3 Basic configuration of the Chinese Space Station

4.1.1 我國空間站機械臂的主要任務(wù)

（1）空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對接；

（2）懸停飛行器捕獲與輔助對接；

（3）支持航天員出艙活動；

（4）艙外各類負載搬運；

（5）艙外狀態(tài)檢查；

（6）艙外設(shè)備安裝、更換或維修。

4.1.2 我國空間站核心艙機械臂研制面臨的難點

（1）空間站質(zhì)量限制嚴格；

（2）末端機電同步重復(fù)連接次數(shù)多；

（3）在軌操作任務(wù)地面驗證難度大。

4.1.3 我國空間站機械臂研制

在空間站核心艙機械臂研制過程中，技術(shù)人員充分調(diào)研了國外大型空間機械臂研制情況，立足于國內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，創(chuàng)造性地開展了產(chǎn)品研制工作，突破了高比剛度和比強度材料的設(shè)計與應(yīng)用、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器等核心部件機電熱一體化設(shè)計、高可靠長壽命空間潤滑，以及全工況覆蓋的在軌任務(wù)地面驗證等多項關(guān)鍵技術(shù)［20］。我國空間站機械臂與國際大型空間機械臂指標對比情況見表1，可以看出，我國空間站機械臂在末端精度、速度等關(guān)鍵指標上與國際一流水平相近。

表1 我國空間站機械臂與國際大型空間機械臂指標對比表Table 1 Specification comparison of the Chinese space station manipulator and large scale manipulators abroad

4.2 嫦娥三號巡視器

4.2.1 主要任務(wù)

嫦娥三號巡視器是我國首個在地外天體表面執(zhí)行巡視探測任務(wù)的新型航天器。嫦娥三號巡視器承擔的主要任務(wù)包括：①隨著陸器實施月球軟著陸；②月晝期間，實現(xiàn)月面巡視探測，并攜帶有效載荷進行就位探測；③月夜期間實現(xiàn)月夜生存。

4.2.2 研制面臨的技術(shù)難點

由于我國首次研制地外天體表面巡視機器人系統(tǒng)，無以往成功經(jīng)驗借鑒，研制面臨一系列技術(shù)難題，主要表現(xiàn)在以下3個方面：①巡視器需滿足月晝散熱和月夜保溫雙重要求，月面長期生存技術(shù)難度大；②首次開展面向工程應(yīng)用的巡視器移動系統(tǒng)設(shè)計，評價與驗證均無經(jīng)驗；③月面環(huán)境涉及地形、地貌、地質(zhì)條件、月塵、高低溫等，環(huán)境模擬及技術(shù)驗證難度大。

4.2.3 采用的新技術(shù)

嫦娥三號巡視器采用了一系列新技術(shù)，最終圓滿完成了月面巡視任務(wù)，主要包括：

（1）國際上首次采取了重力輔助兩相流體回路技術(shù)，采取了全斷電休眠、光照自主喚醒的探測器月面休眠喚醒策略，從而徹底解決了巡視器月面長期月夜生存問題；

（2）創(chuàng)新性地設(shè)計了巡視器移動形態(tài)和車輪形態(tài)，通過大量試驗總結(jié)提出巡視器運動性能的技術(shù)評價體系，實現(xiàn)了月表環(huán)境的準確模擬和移動性能的充分驗證，在此基礎(chǔ)上全面突破巡視器月面移動技術(shù)；

（3）構(gòu)建了國內(nèi)首個巡視器內(nèi)場和外場等試驗設(shè)施，并創(chuàng)造性地提出了巡視探測地面試驗方法，制定了巡視探測任務(wù)的地面驗證試驗方案、體系和標準，全面掌握了巡視探測的地面試驗技術(shù)［21］。

嫦娥三號巡視器與國外類似產(chǎn)品指標對比情況見表2。

表2 嫦娥三號巡視器與國外類似產(chǎn)品指標對比Table 2 Specification comparison of the Chang'e-3 rovers and similar products abroad

4.3 嫦娥五號月球表面采樣機械臂

嫦娥五號探測器是我國探月工程重大科技專項“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略最后一步實現(xiàn)的關(guān)鍵，其中月球表面采樣機械臂又是嫦娥五號探測器任務(wù)實現(xiàn)的關(guān)鍵產(chǎn)品，對于我國探月工程全面完成具有重要意義。

4.3.1 主要任務(wù)

嫦娥五號月球表面采樣機械臂承擔的主要任務(wù)包括：①到達月面采樣區(qū)域內(nèi)任意點實施樣品采集；②以多種方式獲取月球表面和淺層月球樣品；③將樣品初級封裝容器由著陸器轉(zhuǎn)移至上升器。

4.3.2 研制難點

月球表面采樣機械臂研制過程中的技術(shù)難點有：①月面樣品形態(tài)不確定和月壤特性不確定導(dǎo)致的設(shè)計和驗證困難；②機械臂柔性導(dǎo)致的樣品容器高精度抓取難題；③月面高溫環(huán)境下長時間大負載運動。

4.3.3 采取措施

為確保嫦娥五號成功實現(xiàn)月面采樣返回任務(wù)，技術(shù)人員采取如下應(yīng)對措施：研制多功能采樣器，并制備多種模擬月壤以覆蓋月面各類工況，開展機械臂變形標定和變形補償研究，在材料、零件、組件和整臂多層次上驗證機械臂高溫負載性能等，以工程的方法較好地解決了技術(shù)難題。

5 對空間機器人后續(xù)發(fā)展的思考

5.1 空間機器人未來工程應(yīng)用前景

空間機器人主要特點在于它的多任務(wù)適應(yīng)能力和自主性，因而具有更加廣闊的應(yīng)用前景，對于在軌操作機器人來說，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：

1）載人航天領(lǐng)域

主要用于大型載人航天器的構(gòu)建以及代替或輔助航天員執(zhí)行各類操作，如“國際空間站”的大型機械臂系統(tǒng)，以及“國際空間站”艙內(nèi)外仿人操作機器人Robonaut-2。

2）在軌服務(wù)領(lǐng)域

既可用于超大型空間設(shè)施的在軌建設(shè)（如空間太陽能電站），也可用于軌道垃圾清除或故障衛(wèi)星延壽等。

3）空間科學(xué)領(lǐng)域

用于大型科學(xué)載荷的在軌建造，如大型空間望遠鏡等。

對于星表探測機器人來說，其主要應(yīng)用在深空探測領(lǐng)域，用于執(zhí)行不同地外天體表面巡視探測、樣品采集、科學(xué)實驗，以及小行星捕獲和地外天體基地建設(shè)等任務(wù)。

5.2 空間機器人產(chǎn)品發(fā)展趨勢

與上述各領(lǐng)域的應(yīng)用需求相適應(yīng)，未來空間機器人產(chǎn)品將向如下方向發(fā)展。

1）在軌操作機器人

航天器在軌建造、在軌服務(wù)等各種空間操作任務(wù)，要求空間機器人在捕獲、搬運、釋放等簡單功能的基礎(chǔ)上向抓握、旋擰、插拔、拆裝等復(fù)雜功能拓展，操作要求也將從低精度、粗放式向精細化、柔順化發(fā)展。因此，未來空間機器人將不再是僅配置一個末端執(zhí)行器，而是將根據(jù)操作需要，配置系列化、標準化的操作工具包；對于更加復(fù)雜的操作，雙臂或多臂協(xié)同操作將成為更好的選擇。同時，隨著機器人智能化程度的進一步提高，空間機器人將不再是僅依賴于人類的遙操作來工作，而是將成為具備自主感知、規(guī)劃與控制能力的空間智能系統(tǒng)。

2）星表探測機器人

人類對于空間的探測永無止境，深空探測必將從月球、火星向其它地外天體擴展，對于星表探測機器人來說，一方面需考慮多樣的、特殊的行星環(huán)境，如溫度、氣候、地質(zhì)條件等，另一方面需提升機器人本身的性能，如移動速度、探測范圍、地形地貌適應(yīng)能力和自我恢復(fù)能力等。與探測對象的擴展相適應(yīng)，對執(zhí)行采樣功能的機器人來說，多樣品適應(yīng)性、多功能一體化、多設(shè)備支持能力是發(fā)展的重點。與在軌操作機器人一樣，星表探測機器人也將進一步提升自主性，并逐步由單機器人探測向多機器人聯(lián)合探測方向發(fā)展。

5.3 空間機器人工程實現(xiàn)中的幾項關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)發(fā)展的角度來看，空間機器人的未來廣泛應(yīng)用，不僅要解決理論問題，而產(chǎn)品實現(xiàn)的工程技術(shù)問題同樣是未來空間機器人必須優(yōu)先解決的問題。

1）耐空間環(huán)境及長壽命、高可靠設(shè)計技術(shù)

空間機器人是在航天器上使用的特種機器人，因此，空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計是空間機器人設(shè)計的核心內(nèi)容之一，設(shè)計時需兼顧航天器發(fā)射段環(huán)境、軌道環(huán)境、行星表面環(huán)境等約束條件。此外，空間機器人作為航天器上的一類特殊載荷，不僅要支持航天器多任務(wù)的實現(xiàn)，還需滿足無維護條件下長期服役的高可靠要求，因此，空間機器人系統(tǒng)設(shè)計一方面需充分考慮航天器上的有限資源進行優(yōu)化設(shè)計，另一方面需在航天器可承擔的前提下，通過冗余、裕度、降額等設(shè)計手段提高系統(tǒng)可靠性。

2）空間機器人輕量化、高精度實現(xiàn)技術(shù)

對于空間產(chǎn)品，確保性能的前提下實現(xiàn)輕量化是最終目標。高比剛度、高比強度材料的應(yīng)用是優(yōu)先采用的設(shè)計方法，同時，基于數(shù)值計算的各種優(yōu)化設(shè)計方法，也是輕量化設(shè)計的重要手段之一。機電產(chǎn)品的高精度實現(xiàn)除了提高加工精度要求之外，還需要精密裝配作保證，確保良好的工藝性是高精度機電產(chǎn)品實現(xiàn)的前提。

3）空間機器人控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)

空間機器人是智能化的空間系統(tǒng)，可依據(jù)所獲得的感知信息進行自主規(guī)劃和控制?？刂扑惴ǖ脑O(shè)計首先要考慮星上計算資源的限制，同時要充分考慮空間機器人輕質(zhì)、重載導(dǎo)致的大柔性特點，以及在軌操作對力、位的高精度要求。對于未來性能先進的空間機器人來說，不僅需要研究魯棒性好的高速控制算法，也需要研究可支持高速實時計算、高可靠性的控制電路，例如解決適應(yīng)空間環(huán)境的高速總線專用芯片問題。

4）空間機器人系統(tǒng)地面驗證技術(shù)

空間機器人的多自由度、多任務(wù)和特殊應(yīng)用環(huán)境給地面驗證帶來了極大的困難。如機器人必需的視覺和力覺傳感器在空間環(huán)境下的可靠成像和穩(wěn)定測量驗證問題，大負載機器人的零重力、低重力環(huán)境下三維操作驗證問題，星表探測機器人的低重力、真空、高低溫、粉塵多因素耦合下的移動性能測試問題，以及行星特殊環(huán)境采樣操作驗證問題等。這些問題都是空間機器人任務(wù)成功的前提條件，需要技術(shù)人員加以重點考慮和解決。

6 結(jié)論

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）空間機器人技術(shù)是空間技術(shù)當前和未來發(fā)展的熱點之一，我國經(jīng)過科研人員多年的不斷努力，目前已經(jīng)具備基于空間機器人技術(shù)完成國家重大科技專項任務(wù)的能力；

（2）空間機器人及其相關(guān)技術(shù)未來面臨廣闊的發(fā)展空間，多功能化、多任務(wù)支持能力、環(huán)境適應(yīng)能力和自主性是空間機器人未來發(fā)展的重點；

（3）實現(xiàn)空間機器人工程仍面臨一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，空間環(huán)境適應(yīng)性和可靠性設(shè)計、輕量化高精度機電產(chǎn)品、先進的控制算法和硬件以及系統(tǒng)地面驗證方法，需要技術(shù)人員重點關(guān)注。

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（編輯：張小琳）

Current Status and Analysis of Space Robot

LIN Yiming1，2LI Daming1，2WANG Yaobing1，2WANG Youyu1，2
（1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2 Beijing Key Laboratory of Intelligent Space Robotic Systems Technology and Applications，Beijing 100094，China）

This paper introduces basic concept and develoment process of space robots，on the basis of current status review of Chinese space robots，research and development of Chinese space station manipulator，Chang'e-3 lunar rover and Chang'e-5 sampling manipulator are introduced in detail.In reference of the experiences and lessons learned in the engineering and technology development，several key problems in future work are concluded.

space robot；current development status；development analysis

V423.7

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.001

2015-08-14；

：2015-09-17

林益明，男，博士，研究員，北京空間飛行器總體設(shè)計部部長，空間智能機器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，研究方向為空間飛行器總體設(shè)計、空間機器人系統(tǒng)。Email：iamwyb@163.com。