美國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)路線圖（上）

□文/美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) □編譯/盧川

美國(guó)空間機(jī)器人技術(shù)路線圖（上）

□文/美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì) □編譯/盧川

人類對(duì)于外太空始終充滿好奇。從古代的嫦娥奔月到現(xiàn)在的天宮二號(hào)、神舟十一號(hào)。據(jù)報(bào)道，我國(guó)將于2020年前將有史以來(lái)最貴的太空機(jī)器人送往太空。而在該領(lǐng)域，美國(guó)無(wú)疑是先行者。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)頒布了一個(gè)為期十五年的機(jī)器人領(lǐng)域技術(shù)路線圖，其中空間機(jī)器人作為單獨(dú)的一章論述。

古往今來(lái)，在與生俱來(lái)的好奇心驅(qū)使下，人們對(duì)未知的探索欲從沒(méi)有停止過(guò)。歷史證明，這種探索欲不僅有助于開拓新的領(lǐng)域，而且能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)國(guó)家的綜合實(shí)力。正是對(duì)于新事物、新材料的探索，極大地促進(jìn)了一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。從1958年開始，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）就擔(dān)負(fù)著美國(guó)探索地球之外領(lǐng)域的重任，并取得了一系列重大突破，用實(shí)踐證實(shí)了上述觀點(diǎn)的正確性。

我們對(duì)太陽(yáng)系（以及更遠(yuǎn)的星系）的認(rèn)識(shí)，很大程度上歸功于機(jī)器人探測(cè)器、飛行器、登陸車和漫游機(jī)器人。這些機(jī)器人探測(cè)器代表著人類的智慧，穿越無(wú)窮的深空去探索、觀測(cè)和訪問(wèn)遙遠(yuǎn)的宇宙。這些機(jī)器人都裝備有導(dǎo)航、探測(cè)傳感器、用于進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理的機(jī)載航電設(shè)備、驅(qū)動(dòng)及定位設(shè)備，它們能夠在行星表面軌道上完成重大的科學(xué)與工程任務(wù)。機(jī)器人技術(shù)、遙控操作機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)方面的研究，為上述功能提供了必要的技術(shù)支持。

空間機(jī)器人的戰(zhàn)略重要性與意義

放眼未來(lái)，NASA將會(huì)把機(jī)器人、遙控機(jī)器人和自動(dòng)系統(tǒng)的研究作為重要策略。美國(guó)于2010年6月28日發(fā)布的空間探測(cè)方案對(duì)此也有著重提及。制定這一方針的目的是“追求人機(jī)協(xié)同的創(chuàng)造性”，以開發(fā)創(chuàng)新性的機(jī)器人技術(shù)，幫助NASA維持并發(fā)展機(jī)器人在太陽(yáng)系探索中的應(yīng)用，并為開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及未來(lái)的有人操作任務(wù)做準(zhǔn)備。這一方案也同樣指出了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)的快速和持續(xù)發(fā)展，及其成熟應(yīng)用于大量任務(wù)的需求。這些任務(wù)還包括能夠極大地加強(qiáng)空間探測(cè)能力和操作能力的空間電力高效管理系統(tǒng)等。

在所有NASA任務(wù)部門中，機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)早已發(fā)揮著重要作用。正在進(jìn)行的國(guó)際空間站人工作業(yè)任務(wù)中，包含相當(dāng)重要的成員組工作任務(wù)，要求工作人員與倉(cāng)內(nèi)外機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同維護(hù)，并對(duì)飛船的在線自動(dòng)控制及任務(wù)控制系統(tǒng)進(jìn)行支持。未來(lái)的探測(cè)任務(wù)將進(jìn)一步擴(kuò)展這種人機(jī)協(xié)同探索的合作關(guān)系。盡管空間飛行中的無(wú)人科學(xué)任務(wù)已經(jīng)相當(dāng)機(jī)器人化，但其依然與地面的科學(xué)站以及操作人員有著緊密聯(lián)系。未來(lái)，NASA將會(huì)在更廣泛的領(lǐng)域使用這種人機(jī)協(xié)同探索系統(tǒng)。因此，NASA已經(jīng)為機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)制定了一份專門的路線圖，目標(biāo)是為未來(lái)25年NASA下轄的四個(gè)任務(wù)部門的多項(xiàng)計(jì)劃中的空間任務(wù)提供技術(shù)支持。

機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)使NASA受益良多，其中包括：將探索空間延伸到超過(guò)載人飛船限制之外的更深遠(yuǎn)的空間；降低載人飛行帶來(lái)的巨大成本和風(fēng)險(xiǎn)；提高科研、探索和任務(wù)操作的性能表現(xiàn)；增強(qiáng)機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行能力；將機(jī)器人和自動(dòng)化變成了生產(chǎn)力倍增器（比如每一個(gè)操作員可以控制N個(gè)機(jī)器人），同時(shí)增強(qiáng)機(jī)器人著陸和無(wú)人飛行器的自動(dòng)化程度和安全性。

其實(shí)，這些技術(shù)在NASA之外帶來(lái)的潛在效益甚至更加遠(yuǎn)大。包括：將制造業(yè)重新帶回美國(guó)；開發(fā)新的電動(dòng)汽車、更有效的風(fēng)能發(fā)電控制、智能電網(wǎng)和其他綠色能源技術(shù)；提高采礦業(yè)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度；創(chuàng)造更強(qiáng)大的校正、康復(fù)、外科、遠(yuǎn)程手術(shù)和輔助機(jī)器人；延伸水下機(jī)器人的探索和服務(wù)范圍；將機(jī)器人技術(shù)融入教育以促進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的發(fā)展；增強(qiáng)服務(wù)領(lǐng)域、應(yīng)急響應(yīng)、危險(xiǎn)環(huán)境操作和排爆機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行能力以及擴(kuò)大自動(dòng)化海陸空交通運(yùn)輸?shù)氖褂梅秶?/p>

以上這些外部的應(yīng)用與NASA多年來(lái)一直致力于將自身的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于個(gè)人領(lǐng)域的作風(fēng)完全一致。NASA的技術(shù)幾乎可以在所有的民用和軍用領(lǐng)域找到應(yīng)用實(shí)例，從飛行器到空氣質(zhì)量傳感器, 從醫(yī)療衛(wèi)生進(jìn)步到維護(hù)執(zhí)法和個(gè)人安全的新材料等。NASA的衍生技術(shù)挽救了無(wú)數(shù)的生命，創(chuàng)造了大量的工作機(jī)會(huì)，為企業(yè)和消費(fèi)者節(jié)約了超過(guò)62億美元的成本。據(jù)估計(jì)，直接和間接從NASA共享出的技術(shù)，為美國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)率大約為每為空間探測(cè)投資1美元將能收回700% 的回報(bào)。

盧川 特約撰稿人中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所博士

協(xié)同探測(cè)空間機(jī)器人應(yīng)用事例

場(chǎng)景1：行星地下（洞穴）探測(cè)

行星地下（洞穴）探測(cè)已經(jīng)設(shè)想了一個(gè)世紀(jì)，但一直可望而不可及，因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有辦法到達(dá)火星進(jìn)行地下探測(cè)。行星地下（洞穴）探險(xiǎn)的動(dòng)機(jī)包括研究行星的起源、地質(zhì)、生命跡象和人類居住的適宜程度等等。最近，伴隨著太陽(yáng)系中月球、火星及其他行星的天窗的發(fā)現(xiàn)，使以往我們無(wú)法深入研究某些天體的局面正在改變。天窗是陡峭的圓柱形或圓錐形孔石壁的行星坑。其中一些天窗暴露了重要的地下洞穴入口。這些最近被發(fā)現(xiàn)的、完全未被暴露的區(qū)域極大激發(fā)了人類探索生命跡象、形態(tài)和起源的科學(xué)夙愿。天體表面的機(jī)器人技術(shù)和使命已經(jīng)成功了半個(gè)世紀(jì)，但這些技術(shù)在巖石、未風(fēng)化層及洞穴中穿行方面的能力尚不足。機(jī)器人在洞穴中光線、直線式的視距通信無(wú)法勝任，需要新的接口和自主行為能力。探索這些洞穴和隧道需要新的機(jī)器人技術(shù)。

公里級(jí)別的著陸精度能夠滿足許多任務(wù)需要，但如果實(shí)現(xiàn)米級(jí)精度的話，可以引導(dǎo)著陸器平飛, 并通過(guò)特寫、鳥瞰視角查看天窗孔。規(guī)劃?rùn)C(jī)器人目標(biāo)附近的著陸點(diǎn)后，機(jī)器人著陸，斷開連接，并繼續(xù)探索地面和洞穴。漫游者可以接近、查看、環(huán)航和研究天窗的平臺(tái)、邊緣和部分可視安全防區(qū)。能夠爬垂坡或像蜘蛛一樣使用一條線纜垂降的機(jī)器人可能也會(huì)出現(xiàn)。這兩者都需要前所未有的機(jī)器人操作方式和錨定技術(shù)。跨越超遠(yuǎn)距離的高分辨率和極端照明差異的感知對(duì)機(jī)器人的感知模型提出了新的挑戰(zhàn)。反復(fù)的上行和下行對(duì)整個(gè)天窗的觀察覆蓋、墻壁和地面的拍攝是可行的。經(jīng)過(guò)深入探索后，漫游者可以重新使用線纜，像蜘蛛一樣上升到高處，出洞后進(jìn)入下一個(gè)天窗。

場(chǎng)景2：維護(hù)導(dǎo)航點(diǎn)設(shè)施的機(jī)器人（航點(diǎn)設(shè)備管理/維護(hù)機(jī)器人）

伴隨著人類更加深入的太空探索，發(fā)展導(dǎo)航點(diǎn)設(shè)施被提上日程，其將作為一個(gè)到很多目的地的起點(diǎn)（如繞月軌道空間、月球、近地小行星和火星）。這種設(shè)備將能夠組裝和維修衛(wèi)星、望遠(yuǎn)鏡、深空探險(xiǎn)設(shè)備。放置這樣一種設(shè)備的候選位置是地月之間的“L2”拉格朗日點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)上，飛行器只需要很少的能量即可在月球背面處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。

與持續(xù)人工控制的國(guó)際空間站（International Space Station, 簡(jiǎn)稱:ISS）相比，預(yù)計(jì)一個(gè)航點(diǎn)設(shè)備只需要間歇性的控制。因此，在缺少或沒(méi)有人類的情況下，為了維護(hù)和修理系統(tǒng)，這種有機(jī)器人維護(hù)能力的設(shè)備是非常重要的。這些機(jī)器人將通過(guò)來(lái)自地球的遠(yuǎn)程操作，監(jiān)管完成 IVA和EVA工作。遙控機(jī)器人往往關(guān)注于檢查、監(jiān)控、日常維護(hù)和設(shè)備的意外事故操作處理及其附屬的結(jié)構(gòu)、設(shè)備等。特別是國(guó)際空間站的實(shí)驗(yàn)表明，能源（產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)）、生命支持（空氣、水、熱量）、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和儀器都需要維護(hù)。為此，非接觸移動(dòng)傳感的檢測(cè)、移動(dòng)靈活的操作、監(jiān)控、診斷和預(yù)測(cè)、緩解時(shí)間延時(shí)和安全導(dǎo)航都需要提高。

場(chǎng)景3：執(zhí)行探索任務(wù)的機(jī)器人

從行星探索任務(wù)的情況看，在人類活動(dòng)前，機(jī)器人偵察對(duì)顯著增加科學(xué)和技術(shù)的回報(bào)有很大的潛力。在人類進(jìn)行EVA之前，機(jī)器人偵察涉及通過(guò)地下控制或者IVA航天員控制操作一個(gè)行星漫游者去偵察規(guī)劃的區(qū)，包括：1.基于線路的路線觀察；2.基于位置的偵察（在一個(gè)區(qū)域內(nèi)觀察）；3.基于勘測(cè)的偵察（在一個(gè)橫斷面上系統(tǒng)地搜集數(shù)據(jù)）；4.純粹的偵察。為了幫助發(fā)展全面的橫貫計(jì)劃，偵察方式需要很大的提升。同時(shí)，偵察需要在提出一個(gè)現(xiàn)存的橫貫計(jì)劃之前完成，比如調(diào)整優(yōu)先級(jí)和修改時(shí)間點(diǎn)等。

盡管軌道任務(wù)能夠產(chǎn)生各種各樣的高質(zhì)量地圖，它們卻受限于遠(yuǎn)程感知的約束。行星探測(cè)車搭載的儀器能夠?yàn)榈孛嬗^測(cè)和地下地質(zhì)學(xué)提供補(bǔ)充，這在視野和精度上對(duì)軌道來(lái)講都是不可行的。這些表層數(shù)據(jù)能夠改善隨后人類參與的任務(wù),尤其是減少目標(biāo)和行程的不確定性。不僅如此,數(shù)據(jù)能夠用來(lái)改善航天員的訓(xùn)練和操作現(xiàn)場(chǎng)的情景。在人類登月活動(dòng)中，機(jī)器人如何觀測(cè)對(duì)于未來(lái)人類行星探測(cè)活動(dòng)是一個(gè)很好的實(shí)例。阿波羅17號(hào)的第二次太空行走中，航天員駕駛車輛從著陸點(diǎn)到南部山丘，然后在歸途中作業(yè)。在第四站（Shorty Crater火山口），哈里森·施密特發(fā)現(xiàn)了數(shù)堆橘色火山玻璃—或許這是此次任務(wù)最重要的發(fā)現(xiàn)。然而由于宇航員攜帶的給養(yǎng)（如氧氣）數(shù)量有限，所以時(shí)間被嚴(yán)格地限制。這些火山材料可以通過(guò)機(jī)器人進(jìn)行提前偵察, 使火山口的太空行走有更多的時(shí)間。另外，行走路線也可以改為先行訪問(wèn)火山口。

場(chǎng)景4：宇航員遠(yuǎn)程操作機(jī)器人

在規(guī)劃未來(lái)人類探索任務(wù)中，一些研究團(tuán)隊(duì)提出讓宇航員在軌道航天器上利用低延時(shí)、高帶寬的通信鏈路對(duì)地面機(jī)器人進(jìn)行遙操作。這種操作方法可以視為一種有效方法，它能夠在需要人類參與的活動(dòng)時(shí)而又不引起地面行走帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和成本。除此之外，這種方式具有極高的性能，對(duì)各種各樣的航天器及機(jī)器人進(jìn)行控制（感知、導(dǎo)航等等），因此能減輕機(jī)器人對(duì)數(shù)據(jù)處理和航天電子的需求。以航天員為核心的地表遙操作機(jī)器人視為幾種可行任務(wù)之一。

月球背面——航天員在軌道上（或者定位在地球-月球之間的“L2”拉格朗日點(diǎn)）遠(yuǎn)程操作地面機(jī)器人探測(cè)月球背面。宇航員能夠利用低延遲（少于250ms）和高效的通信來(lái)短期任務(wù)，使機(jī)器人的使用率最大化。

近地小天體（NEO）——宇航員在返回或者在軌，或者離開近地小天體（例如小行星）時(shí)，可以遠(yuǎn)程操作一個(gè)機(jī)器人著陸在近地小天體表面。宇航員能夠從飛行器上控制機(jī)器人，因?yàn)榻匦√祗w的環(huán)境（高旋轉(zhuǎn)速度、快速變化的圖像等等）排除了從地球進(jìn)行遠(yuǎn)程操作的可能性。

火星軌道——圍繞火星的航空軌道上的航天員遠(yuǎn)程操控地面機(jī)器人進(jìn)行火星探測(cè)。當(dāng)環(huán)境（如時(shí)效性要求較高的活動(dòng)、突發(fā)事件的處理等等）不允許地球上的遠(yuǎn)程操作時(shí)，航天員將在飛行器上控制機(jī)器人。

空間協(xié)同探測(cè)機(jī)器人的關(guān)鍵能力

對(duì)象識(shí)別和姿態(tài)評(píng)估

對(duì)象識(shí)別通常需要在使用某一種感知功能的同時(shí)，融合多種感知形式進(jìn)行工作。這種感知功能可以把感知對(duì)象與預(yù)先知道的對(duì)象關(guān)聯(lián)在一起。姿態(tài)評(píng)估用于定位一個(gè)相對(duì)于傳感器坐標(biāo)系的對(duì)象，從而使用傳感數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算六軸機(jī)械臂的姿態(tài)。在姿態(tài)評(píng)估之前，通常使用對(duì)象識(shí)別或?qū)ο蠹僭O(shè)，以使其姿態(tài)能夠被算法評(píng)估和跟蹤。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于研究基于對(duì)象的操作、跟蹤以及回避對(duì)象后的移動(dòng)是至關(guān)重要的。鑒定并識(shí)別人類同時(shí)跟蹤其移動(dòng)和姿態(tài)的能力，是此領(lǐng)域的一項(xiàng)特殊方向；操作控制機(jī)器人以便與人類同伴安全工作以及操作移動(dòng)機(jī)器人，以避免與行人碰撞是此領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容。

迄今為止，傳感方法結(jié)合了機(jī)器視覺(jué)、立體視覺(jué)、激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)化光線和雷達(dá)等技術(shù)。感知方法常常開始于CAD模型或由傳感器對(duì)象識(shí)別技術(shù)掃描得到的模型。其包含的主要挑戰(zhàn)為：處理一個(gè)對(duì)象已知的大型“數(shù)據(jù)庫(kù)”的能力，識(shí)別部分封閉的對(duì)象，感知微弱光線（高、低和光線對(duì)比鮮明的物體）,評(píng)估快速翻轉(zhuǎn)對(duì)象的姿態(tài)和處理近遠(yuǎn)處位置的對(duì)象。一個(gè)令人鼓舞的實(shí)例是國(guó)際空間站上的自由飛行器IVA。對(duì)象識(shí)別和姿態(tài)評(píng)估能夠使充電站對(duì)接、空間站內(nèi)部導(dǎo)航以及宇航員交流互動(dòng)（例如“流動(dòng)之眼”能夠自動(dòng)支持航天人員的活動(dòng)）成為可能。

基于融合視覺(jué)、觸覺(jué)和力控制的操作能力

隨著安全、快速和決定性運(yùn)動(dòng)控制的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域會(huì)變得更加成熟。該成功來(lái)自于融合多種傳感器，以避免聯(lián)絡(luò)障礙的技術(shù)。操作需要進(jìn)行接觸，所以傳感器需要先接近，然后觸碰，最終使傳感像工具一樣能夠接觸、抓取和使用對(duì)象。此外，新的方法對(duì)于結(jié)構(gòu)性兼容機(jī)械手的設(shè)計(jì)和控制是必要的，這種機(jī)械手可以吸收當(dāng)接觸物體和工具使用時(shí)造成的沖擊力。視覺(jué)也需要傳感器，當(dāng)四肢去抓物體時(shí)，視覺(jué)傳感器能夠不頻繁發(fā)生故障，而且對(duì)于移動(dòng)的控制程序可以標(biāo)定和移送物體。當(dāng)開發(fā)新的傳感器和機(jī)構(gòu)兼容的機(jī)械手時(shí)，主要的挑戰(zhàn)包括校準(zhǔn)完全不同的傳感器、不同的分辨率、噪聲以及其物理特性。

無(wú)人駕駛

機(jī)械系統(tǒng)有潛力超越人類的耐力、反應(yīng)時(shí)間和并行控制的機(jī)器數(shù)量。人類在飛行安全和駕駛時(shí)間上擁有諸多限制，但這些問(wèn)題在機(jī)械系統(tǒng)中并不存在。人類反應(yīng)時(shí)間，加上人機(jī)接口的傳輸時(shí)間，導(dǎo)致當(dāng)面對(duì)緊急狀況時(shí)的操作有很大的延遲。人類在并行處理多個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和命令周期時(shí)，能力是及其有限的。但是在處理極端情況、解決從未料到的新情況和學(xué)習(xí)新的飛行技能這些方面，機(jī)械系統(tǒng)仍然落后于人類。擬人性能對(duì)機(jī)器熟練控制復(fù)雜系統(tǒng)有很大影響，且要求：（1）讓人類脫離于控制循環(huán)體；（2）讓人類以適當(dāng)?shù)乃絽⑴c如戰(zhàn)略方向的制定。

（未完，后續(xù)內(nèi)容請(qǐng)看下期）

表1 ：五年、十年及十五年的目標(biāo)及里程碑