基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)研究

李京濤 許煥賓 翟筱羿 王勇 王敏

（1北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京，100094；2北京控制工程研究所，北京，100094）

0 引 言

在軌服務(wù)(On-Orbit Servicing, OOS) 是指在太空中通過人、機(jī)器人或兩者協(xié)同來完成涉及延長在軌航天器的壽命或提升其能力的維護(hù)、空間裝配和服務(wù)任務(wù)[1]。國外系統(tǒng)級的有代表性的在軌服務(wù)與維護(hù)研究項目主要有美國的軌道快車計劃、天港計劃、鳳凰計劃，歐洲的赫爾墨斯計劃等。這些項目的研究多集中在發(fā)射部署專用的在軌服務(wù)飛行器、開展在軌服務(wù)與維護(hù)試驗驗證，服務(wù)周期短，任務(wù)單一?？臻g站平臺可以為大規(guī)模開展機(jī)器人在軌服務(wù)提供保障，本文基于空間站平臺對機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)開展研究。

1 研究背景

在無邊無際的宇宙中，空間站可作為支撐在軌服務(wù)與維護(hù)的物資庫、補(bǔ)給站、停泊港、維修和裝配車間，也是設(shè)施承載平臺、先進(jìn)技術(shù)試驗平臺和天基指控中心，起到了“太空母港”的作用。以空間站為核心，通過模塊化，通用化的思路，通過即插即用的方式建立一套機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)，以獨立或集群的方式完成空間站系統(tǒng)自身維護(hù)、故障航天器在軌服務(wù)和維護(hù)、空間碎片清理等復(fù)雜的任務(wù)，構(gòu)建“空間站+機(jī)器人”的航天在軌服務(wù)新體系，滿足航天在軌服務(wù)新技術(shù)發(fā)展要求。

2 基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

為實現(xiàn)基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)，機(jī)器人應(yīng)具備獨立飛行、捕獲和維護(hù)不同任務(wù)對象的功能，并具備?？靠臻g站平臺接受模塊更換和功能升級的功能，通過機(jī)器人與空間站平臺的信息交互實現(xiàn)用戶對全任務(wù)的監(jiān)視、指揮、控制、操作和評估。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

1）在軌服務(wù)機(jī)器人模塊化設(shè)計和在軌重構(gòu)技術(shù)。

為了滿足各種空間在軌服務(wù)任務(wù)需求，在軌服務(wù)機(jī)器人需要具備可重用、多功能的特點，進(jìn)行模塊化設(shè)計，基于空間站平臺和航天員，根據(jù)任務(wù)要求在軌靈活組成多種用途的飛行器，并且各功能模塊相互獨立，接口標(biāo)準(zhǔn)化，工具包內(nèi)的操作工具能滿足不同具體操作需求。

2）在軌服務(wù)機(jī)器人對服務(wù)目標(biāo)的識別和跟蹤技術(shù)。

在進(jìn)行在軌操作過程中，在軌服務(wù)機(jī)器人需要時刻跟蹤目標(biāo)，然后接近并進(jìn)行對接或抓捕，因此，需要研究跟蹤測量技術(shù)和設(shè)備，解決測量問題，突破目標(biāo)檢測與識別技術(shù)。

3）在軌服務(wù)機(jī)器人對服務(wù)目標(biāo)的自主抓捕技術(shù)。

對于非合作目標(biāo)，比如一般的失效飛行器往往處于姿態(tài)不受控的自旋或翻滾狀態(tài)，在對處于此類運動中的非合作目標(biāo)進(jìn)行操作時最關(guān)鍵的任務(wù)是抓捕。

4）智能服務(wù)機(jī)器人維護(hù)操作技術(shù)。

需要研制具有較高智能水平的機(jī)器人系統(tǒng)，在較少人類干預(yù)的情況下自主適應(yīng)各種非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，完成多種多樣的維修維護(hù)任務(wù)。機(jī)器人還應(yīng)通過無線通信與空間站平臺進(jìn)行信息交互，在航天員在軌監(jiān)視或操控下完成任務(wù)，提高任務(wù)可靠度。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人攜帶在軌服務(wù)工具從空間站出發(fā)完成對目標(biāo)的維修維護(hù)操作，然后再安全返回空間站平臺等待下次任務(wù)。基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)應(yīng)在任務(wù)前完成任務(wù)規(guī)劃和工作流程設(shè)計，除服務(wù)機(jī)器人和服務(wù)目標(biāo)外，還要針對監(jiān)視、指揮、控制、操作和評估功能，基于空間站平臺研究通信系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、服務(wù)性能評估系統(tǒng)等，研究各子系統(tǒng)的實現(xiàn)方案以及相互協(xié)作問題?；诳臻g站平臺的在軌服務(wù)系統(tǒng)主要包括空間站、在軌服務(wù)機(jī)器人、測控系統(tǒng)、地面支持系統(tǒng)和航天員系統(tǒng)5個主要部分。

基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 任務(wù)規(guī)劃和工作流程

在在軌服務(wù)需求分析的基礎(chǔ)上，機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃主要是研究各種任務(wù)的共性技術(shù)，反映在軌服務(wù)的基本特點和關(guān)鍵技術(shù)；再依據(jù)任務(wù)規(guī)劃，進(jìn)行整套機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)的工作流程設(shè)計，采用安全化、標(biāo)準(zhǔn)化的方式高效完成各種在軌服務(wù)任務(wù)。

2.2.2 組成結(jié)構(gòu)

機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)包括空間站系統(tǒng)、在軌服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、服務(wù)性能評估系統(tǒng)、航天員系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

1）空間站系統(tǒng)：空間站是支撐在軌服務(wù)與維護(hù)的物資庫、補(bǔ)給站、停泊港、維修和裝配車間，也是設(shè)施承載平臺、先進(jìn)技術(shù)服務(wù)平臺和天基指控中心，包括模塊更換支持子系統(tǒng)、通信支持子系統(tǒng)、監(jiān)控支持子系統(tǒng)、控制支持子系統(tǒng)等。

2）在軌服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)：共同構(gòu)成空間捕獲操控通用機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)操作主體，完成任務(wù)規(guī)劃中的基本任務(wù)，包括獨立飛行子系統(tǒng)、信息交互子系統(tǒng)、捕獲子系統(tǒng)、操作子系統(tǒng)、工具子系統(tǒng)等。

3）通信系統(tǒng)：由空間和地面測控系統(tǒng)組成，共同為服務(wù)提供通信和觀測等數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)支撐和服務(wù)，包括空間站與機(jī)器人通信子系統(tǒng)、天地通信子系統(tǒng)、地面支持子系統(tǒng)等。

4）指揮控制系統(tǒng)：實現(xiàn)航天員和地面指揮人員對機(jī)器人的指揮控制，包括在軌指揮控制子系統(tǒng)、地面指揮控制子系統(tǒng)、天地協(xié)同控制子系統(tǒng)等。

5）服務(wù)性能評估系統(tǒng)：建立地面在軌支持和集成演示系統(tǒng)，為“空間站+服務(wù)機(jī)器人”在軌任務(wù)提供全面數(shù)據(jù)、影像和管理保障，包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、性能評估和顯示子系統(tǒng)等。

6）航天員系統(tǒng)：航天員在空間站內(nèi)通過遙操作服務(wù)機(jī)器人完成具體任務(wù)或發(fā)布具體指令。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)

基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，整個工作周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)流程如圖2所示，主要包括：

圖2 基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)流程

1）一個或多個服務(wù)機(jī)器人隨運輸飛行器發(fā)射入軌，與空間站交會對接，停靠空間站；

2）由空間站機(jī)械臂將在軌服務(wù)機(jī)器人從貨運飛船貨艙轉(zhuǎn)移到空間站；

3）在軌服務(wù)機(jī)器人啟動，與空間站分離，并飛離空間站；

4）在軌服務(wù)機(jī)器人在不同軌道高度內(nèi)捕獲不同目標(biāo)，并進(jìn)行在軌維護(hù)服務(wù)；

5）服務(wù)完成后，在軌服務(wù)機(jī)器人與空間站交會對接，?？靠臻g站；

6）針對其他服務(wù)目標(biāo)，在空間站上由空間站機(jī)械臂或航天員出艙更換在軌服務(wù)機(jī)器人其他類型的服務(wù)裝置；

7）在軌服務(wù)機(jī)器人再啟動，與空間站分離，并飛離空間站，飛向新的服務(wù)目標(biāo)；

8）非任務(wù)期間，服務(wù)機(jī)器人停靠在空間站上，在空間站進(jìn)行燃料補(bǔ)給和維護(hù)。

雖然空間服務(wù)目標(biāo)多種多樣，但是整個過程可歸結(jié)為如下幾個步驟：

1）軌道交會；

2）對目標(biāo)近距離繞飛或駐留；

3）利用捕獲機(jī)構(gòu)對目標(biāo)進(jìn)行捕獲；

4）在軌操作；

5）完成任務(wù)自動返回。

3 應(yīng)用前景

3.1 空間站平臺維護(hù)和功能擴(kuò)展

空間站上可以開展多種試驗，包含空間天文、地球科學(xué)、空間基礎(chǔ)物理、空間物理與空間探索、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)和生物技術(shù)，以及新技術(shù)試驗等等。試驗項目需求量不斷增大，但空間站外表可布局試驗設(shè)備的空間很有限，需要在軌進(jìn)行結(jié)構(gòu)擴(kuò)展。例如，在軌服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)可用于空間站擴(kuò)展桁架結(jié)構(gòu)的搭建，如圖3所示。

圖3 空間站桁架搭建示意圖

在軌服務(wù)機(jī)器人通過自主爬行或飛行到工作位置，并將運輸飛行器運輸?shù)蔫旒茉貑卧M(jìn)行搭建，機(jī)器人操作任務(wù)主要包括桁架支撐桿的抓取與轉(zhuǎn)移、多方向連接節(jié)點抓取與轉(zhuǎn)移、快速鎖緊裝置視覺定位、力操作模式鎖定連接等，可以大幅減少航天員工作量，并能實現(xiàn)長時間工作，提高空間站擴(kuò)展桁架搭建效率。

3.2 空間碎片防護(hù)

自從人類發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星以來，執(zhí)行航天任務(wù)產(chǎn)生的火箭拋棄物、失效衛(wèi)星漂浮在地球周圍，相互碰撞產(chǎn)生了大量空間碎片，地面測控系統(tǒng)可以監(jiān)測和預(yù)警直徑大于100mm的空間碎片，目前有幾萬個之多。若空間碎片擊中空間站平臺，會造成電源失效、氧氣泄露、動力學(xué)喪失等嚴(yán)重后果，對航天員安全影響巨大。空間站平臺在地面控制下進(jìn)行主動規(guī)避，但空間站平臺體積和重量很大，每次規(guī)避需要消耗大量燃料，并且規(guī)避過程會縮短空間站平臺壽命。

在軌服務(wù)機(jī)器人可用于捕獲與清理空間碎片。當(dāng)接到預(yù)警報告時，地面或航天員控制機(jī)器人更換操作工具，機(jī)器人攜帶飛網(wǎng)式碎片抓捕模塊飛離空間站，利用靈活機(jī)動能力，主動向空間碎片接近，定位碎片后拋出飛網(wǎng)捕獲碎片，并拖拽碎片至空間站或?qū)崿F(xiàn)碎片有控再入，如圖4所示。針對不同碎片，機(jī)器人也可以攜帶不同碎片抓捕工具，比如繩系工具、激光或離子清理工具等。

圖4 飛網(wǎng)捕獲空間碎片示意圖

3.3 航天器救援

從歷次航天器發(fā)射失敗任務(wù)統(tǒng)計分析，由太陽翼故障未能展開的能源故障、通信天線未能展開的通信故障所導(dǎo)致的失敗問題占到50%以上，并且主要發(fā)生在中低軌道上。在這種危急時刻，可以空間站為母港，迅速派出救援在軌服務(wù)機(jī)器人飛向并捕獲故障飛行器，輔助排除故障。在救援過程中，機(jī)器人更換救援工具包，主要包括輔助太陽翼、通信天線展開的剪切工具。機(jī)器人接近故障航天器，并自主辨識失效航天器的自旋速度，捕獲故障飛行器，迅速展開救援工作，并將圖像通過空間站平臺中繼傳到地面，為地面決策提供依據(jù)。若現(xiàn)場救援無效，機(jī)器人將故障航天器拖拽到空間站，由航天員出艙進(jìn)行維修。

3.4 艙外航天員輔助和救援

空間站長期運營時需要安排航天員出艙開展各種科學(xué)試驗，或者完成設(shè)備安裝和更換工作，工作量大，并且具有一定危險性。在軌服務(wù)機(jī)器人可以在艙內(nèi)航天員控制下，輔助艙外航天員工作，減少航天員體力消耗，提高工作能力和效率，機(jī)器人輔助任務(wù)主要包括攜帶航天員工作工具、抓取和固定維修設(shè)備、照明和攝像、重復(fù)簡單操作等。當(dāng)航天員由于誤操作與空間站艙體斷開連接時，只靠航天員無法再返回空間站，威脅到航天員生命安全，此時在軌服務(wù)機(jī)器人可飛向并捕獲航天員，并將航天員帶回空間站。

4 結(jié)論

本文提出的基于空間站平臺的機(jī)器人在軌服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)，可充分發(fā)揮空間站作為“太空母港”的物資補(bǔ)給、長期停泊、維修支持作用，大大提高機(jī)器人在軌服務(wù)的能力，并且機(jī)器人還能大大擴(kuò)展空間站平臺的應(yīng)用方向，提高自身性能和對其他航天器的支持能力，有效滿足未來飛行任務(wù)需求。