可重用空間碎片抓捕機(jī)器人*

王柄權(quán) ，張長(zhǎng)龍 ，索劭軒 ，秦劉通 ，王鵬飛， ，劉金鑫

（1.西安交通大學(xué)未來(lái)技術(shù)學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；3.西安交通大學(xué)空間智能制造研究中心，西安 710049；4.中國(guó)航天科技創(chuàng)新研究院，北京 100048）

1 引言

空間碎片，又稱(chēng)太空垃圾，是指人類(lèi)在大氣外層空間進(jìn)行航天活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生或遺棄的物體，包括碎裂碎片、失效航天器等［1］。

隨著幾十年來(lái)各國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，空間在軌物體的數(shù)量急劇增加，空間軌道資源日趨緊張，空間碎片問(wèn)題日益凸顯，給空間可持續(xù)性發(fā)展及利用帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。據(jù)美國(guó)宇航監(jiān)測(cè)網(wǎng)2013 年統(tǒng)計(jì)，已探知的空間碎片數(shù)量就多達(dá)16906 個(gè)，而無(wú)法統(tǒng)計(jì)的空間碎片甚至多達(dá)數(shù)千噸［2］。歐空局（ESA）的研究表明，如果空間碎片得不到有效的處理，到2030年左右，航天器碰撞的概率將會(huì)達(dá)到3.7%。因此，為了更加充分地利用具有較大價(jià)值的近地或高低軌道，同時(shí)降低衛(wèi)星為防御太空垃圾增加的設(shè)計(jì)難度與成本，亟待解決軌道垃圾轉(zhuǎn)移以及清理等難題。

本文首先從空間碎片危害、空間碎片清理任務(wù)推動(dòng)捕獲技術(shù)發(fā)展等角度闡述了空間碎片清除技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。其次從捕獲方式實(shí)現(xiàn)維度對(duì)飛網(wǎng)、 魚(yú)叉、機(jī)械臂等方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。最后針對(duì)現(xiàn)有捕獲技術(shù)在空間碎片清除方面應(yīng)用所存在的問(wèn)題從技術(shù)途徑角度概括了該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)并提出了一種可重用空間碎片抓捕機(jī)構(gòu)。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外空間碎片捕獲方式主要利用主動(dòng)移除技術(shù)，通過(guò)服務(wù)衛(wèi)星接近空間碎片，利用末端捕獲機(jī)構(gòu)對(duì)碎片進(jìn)行捕獲并離軌。常用的捕獲技術(shù)包括：（1）剛性捕獲方法，以美國(guó)空軍的FREND 機(jī)械臂為代表［3，4］；（2）柔性捕獲方法，以ESA的ROGER飛網(wǎng)為代表［5，6］。此外，近些年的研究還提出了吸附捕獲、類(lèi)飛網(wǎng)捕獲、新型智能捕獲等一系列新概念［4］。剛性捕獲方案中多采用機(jī)械臂抓捕，它是現(xiàn)階段空間碎片在軌捕獲技術(shù)中研究最深入的技術(shù)，表1和表2匯總了國(guó)內(nèi)外針對(duì)空間碎片進(jìn)行在軌捕獲項(xiàng)目中剛性、柔性捕獲方案的研究現(xiàn)狀。從表1 中可以看出，剛性捕獲方案多用于衛(wèi)星捕獲，通過(guò)利用衛(wèi)星自帶的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和對(duì)接環(huán)，使得機(jī)械臂可以在搭載適合某一特定類(lèi)型衛(wèi)星的手爪的前提下，順利完成對(duì)衛(wèi)星的捕獲。但缺點(diǎn)也在于此，它只適合于捕獲衛(wèi)星，甚至只能捕獲同一類(lèi)型的衛(wèi)星，更不可能對(duì)其他的不規(guī)則的沒(méi)有輔助抓手的空間碎片進(jìn)行捕獲。

表1 剛性捕獲方案Table 1 Rigid capture schemes

表2 柔性捕獲方案Table 2 Flexible capture schemes

柔性捕獲方案中以飛網(wǎng)、飛爪為主，近些年來(lái)也涌現(xiàn)出類(lèi)飛網(wǎng)/飛爪、吸附捕獲和智能捕獲等新型捕獲方式，它是現(xiàn)階段空間碎片在軌捕獲技術(shù)中研究最有前景的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)則形狀的空間碎片進(jìn)行捕獲，克服了剛性捕獲方案只能針對(duì)特定衛(wèi)星進(jìn)行捕獲的缺點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展了捕獲衛(wèi)星的應(yīng)用范圍，而且還可以增加捕獲機(jī)器人的重復(fù)利用率，大大降低成本。

2.2 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前捕獲技術(shù)在實(shí)際捕獲合作或非合作目標(biāo)時(shí)都或多或少的存在一定缺陷：

（1）抓捕機(jī)構(gòu)普適性差

不同碎片尺寸、形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)差異大，但現(xiàn)行抓捕設(shè)備結(jié)構(gòu)單一，僅適用于特定的合作目標(biāo)。例如SUMO/FREND機(jī)械臂依靠機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓捕目標(biāo)航天器的對(duì)接環(huán)、螺栓孔等位置，對(duì)飛行器和機(jī)械臂的位姿精度要求較高；而新型捕獲方法僅針對(duì)特定的非合作目標(biāo)，捕獲對(duì)象的可適應(yīng)性差、可靠性差。

（2）只執(zhí)行單次抓捕離軌操作、可重用度低

目前軌道碎片清除技術(shù)以主動(dòng)移除技術(shù)為主，僅可執(zhí)行單次捕獲離軌操作，無(wú)法重復(fù)作業(yè)。例如ROGER 飛網(wǎng)只適合單次抓捕整個(gè)衛(wèi)星（或空間碎片），并執(zhí)行空間碎片或非合作目標(biāo)離軌任務(wù)；而化學(xué)粘附捕獲與目標(biāo)物粘接后無(wú)法分離。以上兩種捕獲方法皆不適用于重復(fù)使用的作業(yè)場(chǎng)合。

（3）易產(chǎn)生破壞性接觸

剛性捕獲方法對(duì)服務(wù)衛(wèi)星的位姿控制精度要求高，控制不當(dāng)時(shí)存在一定的碰撞風(fēng)險(xiǎn)；柔性捕獲方法在捕獲成功后無(wú)法將空間碎片總體上定位定姿，具有不確定性；而微納米吸附方式在拖拽目標(biāo)衛(wèi)星時(shí)導(dǎo)致衛(wèi)星鍍層脫落，會(huì)對(duì)目標(biāo)星造成物理?yè)p壞。

（4）遙操作控制的滯后性

遙操作控制作為目前空間機(jī)器人控制的重要技術(shù)之一，已替代宇航員實(shí)現(xiàn)太空艙外檢測(cè)、捕獲、裝配等非臨場(chǎng)作業(yè)。然而，傳統(tǒng)遙操作控制技術(shù)在天地大時(shí)延背景下，地面操作員與空間被控端通信的延時(shí)也會(huì)造成如主從端位姿軌跡誤差，難以補(bǔ)償空間機(jī)構(gòu)末端軌跡偏移等諸多問(wèn)題。

針對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題，未來(lái)捕獲技術(shù)將向以下方向發(fā)展：

（1）可重復(fù)使用

未來(lái)的在軌服務(wù)系統(tǒng)一般采用可重復(fù)使用的小型化、智能化的空間機(jī)器人，這樣可以盡量減少對(duì)運(yùn)載火箭能力的需求，同時(shí)能夠減少系統(tǒng)費(fèi)用和提高經(jīng)濟(jì)性。

（2）捕獲機(jī)構(gòu)柔性化

目前對(duì)非合作空間目標(biāo)捕獲技術(shù)的研究，多集中于機(jī)械臂剛性抓捕和飛爪、飛網(wǎng)類(lèi)抓捕，但由于捕獲空間旋轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)如采用純剛性機(jī)械臂對(duì)機(jī)械臂性能及強(qiáng)度要求過(guò)高，同時(shí)需要目標(biāo)物有對(duì)接環(huán)、螺栓孔等位置。而飛網(wǎng)類(lèi)捕獲雖無(wú)需特殊抓手，但不能重復(fù)使用，成本過(guò)高。瑞士空間中心借助介電彈性材料作為驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了空間觸手抓捕系統(tǒng)，它具有簡(jiǎn)單可靠、智能操控、柔性抓捕、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，但不適合抓捕大目標(biāo)。它為非合作空間目標(biāo)捕獲技術(shù)提供了新的空間抓捕思路，后期對(duì)于旋轉(zhuǎn)的非合作目標(biāo)捕獲采用半剛性或柔性抓捕系統(tǒng)更為可取，可以借鑒瑞士空間觸手抓捕機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出更適合實(shí)際任務(wù)需求的空間非合作目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)。

（3）捕獲行動(dòng)自主化、智能化

對(duì)于地球靜止軌道上的非合作目標(biāo)，不能采用航天員出艙協(xié)助捕獲的方式，無(wú)人捕獲因?yàn)槭艿酵ㄐ诺难舆t、間斷以及天地鏈路帶寬等限制，也很難進(jìn)行穩(wěn)定可靠的操作。因此，具備自主捕獲目標(biāo)能力的服務(wù)航天器將成為未來(lái)在軌服務(wù)的發(fā)展方向。另外，由于目前在軌航天器的設(shè)計(jì)復(fù)雜多樣，并且沒(méi)有通用統(tǒng)一的捕獲接口，如電推平臺(tái)就沒(méi)有軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動(dòng)機(jī)噴管，可伸縮抓捕機(jī)構(gòu)就不再適用。這就要求捕獲機(jī)構(gòu)自身具備智能性，可根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)和認(rèn)知推理，改變捕獲機(jī)構(gòu)形狀抓捕目標(biāo)。

3 可重用空間碎片抓捕機(jī)器人

目前國(guó)內(nèi)外空間碎片捕獲方式的可靠性與普適性仍存在部分盲點(diǎn)。傳統(tǒng)的空間碎片捕獲機(jī)構(gòu)具有無(wú)法平衡捕獲的可靠性、對(duì)不同形狀和尺寸的空間非合作目標(biāo)的適應(yīng)性、對(duì)服務(wù)衛(wèi)星沖擊較小等特性。因此，亟需一種新型的可重復(fù)使用的空間碎片柔性抓捕機(jī)器人，以滿(mǎn)足自旋、章動(dòng)、逃逸、外形、尺寸不規(guī)則等特點(diǎn)的空間碎片收集的需求，進(jìn)而提升空間復(fù)雜碎片的治理能力。

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

針對(duì)以上多樣化空間碎片清除的技術(shù)需求，本文設(shè)計(jì)了一種可重復(fù)使用的空間碎片柔性抓捕清除機(jī)構(gòu)，配置以適用于自旋、章動(dòng)、逃逸、外形不規(guī)則等特點(diǎn)的空間碎片收集需求的包絡(luò)、消旋柔性機(jī)械臂及收納機(jī)構(gòu)，提升了空間復(fù)雜碎片治理能力，突破了柔性結(jié)構(gòu)展收、碎片可靠收儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)；并基于以上設(shè)計(jì)建立了空間碎片柔性抓捕機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分別從目標(biāo)碎片位姿視覺(jué)測(cè)量和空間碎片抓捕機(jī)器人協(xié)同柔順控制規(guī)劃兩個(gè)方面展開(kāi)技術(shù)研究，以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜空間碎片的低沖擊、低能耗、高效率收集，總體思路如圖1所示。

3.2 空間碎片抓捕平臺(tái)與收納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 空間碎片抓捕平臺(tái)

由于空間碎片大多為自旋、章動(dòng)、逃逸、外形不規(guī)則的非合作目標(biāo)、為了滿(mǎn)足空間碎片抓捕的復(fù)雜、靈巧操作需求，并具有一定的冗余性與容錯(cuò)能力，基于仿生柔性捕獲結(jié)構(gòu)對(duì)空間碎片進(jìn)行低沖擊、低能耗收集治理，提升空間復(fù)雜碎片治理能力。本文設(shè)計(jì)的抓捕機(jī)構(gòu)型如圖2 所示，主要包括圓柱形基座平臺(tái)、4個(gè)模塊化線(xiàn)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)柔順機(jī)械臂（臂長(zhǎng)1000 mm）和四個(gè)模塊化線(xiàn)驅(qū)動(dòng)短柔順臂組成（臂長(zhǎng)300 mm）以及收納機(jī)構(gòu)等模塊。圓柱形基座平臺(tái)用以安裝機(jī)械臂及其驅(qū)動(dòng)模塊，并帶有類(lèi)光圈開(kāi)合機(jī)構(gòu)（最大開(kāi)口直徑500 mm），8 個(gè)模塊化線(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的協(xié)同抓捕。

（1）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)包括抓捕機(jī)構(gòu)和收納機(jī)構(gòu)兩部分，其中抓捕機(jī)構(gòu)由4條長(zhǎng)柔順機(jī)械臂和4條短柔順臂組成。長(zhǎng)臂用以遠(yuǎn)距離抓取空間碎片并基于其自身所特有的被動(dòng)柔性實(shí)現(xiàn)包絡(luò)消旋，待碎片到達(dá)短臂作業(yè)范圍時(shí)，短臂接替長(zhǎng)臂作業(yè)。

（2）抓捕平臺(tái)的開(kāi)合裝置旋開(kāi)，短臂將碎片壓入彈性擋板（黃色）。

（3）當(dāng)碎片落入收納袋后，彈性擋板自動(dòng)復(fù)位成閉合狀態(tài)，以此防止碎片再次飛出收納袋。

（4）多次捕獲后，收納結(jié)構(gòu)容積占滿(mǎn)，在柔性臂的較小推力下，彈簧鉤會(huì)脫離分級(jí)釋放環(huán)，解除第一節(jié)限位，收納袋即會(huì)多展開(kāi)一層空間。同時(shí)，彈簧鉤在彈性恢復(fù)作用下，鉤住下一個(gè)鉤環(huán)，這樣可以保證碎片既能保證處于收納袋底部的同時(shí)，還能逐級(jí)釋放空間，做到大容量收納。

3.2.2 收納機(jī)構(gòu)

收納機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需從輕質(zhì)、可靠收納和可靠存儲(chǔ)三方面考慮。通過(guò)對(duì)收儲(chǔ)結(jié)構(gòu)功能及特性分析，如圖3 所示，為滿(mǎn)足可靠收納和存儲(chǔ)功能的同時(shí)要做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和輕質(zhì)化的設(shè)計(jì)要求，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級(jí)展開(kāi)式收納結(jié)構(gòu)方案，即可實(shí)現(xiàn)大跨度碎片的順序收納，也可保證大容積的可靠存儲(chǔ)，主要構(gòu)成如圖4 所示，收儲(chǔ)結(jié)構(gòu)外徑約500 mm，構(gòu)型為圓柱體，壓縮狀態(tài)高度約215 mm。

圖3 收儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析Fig.3 Design and analysis of storage structure

圖4 收儲(chǔ)結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of collection and storage structure

3.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

多臂空間機(jī)器人的基礎(chǔ)是雙臂空間機(jī)器人，首先推導(dǎo)了雙臂廣義相對(duì)雅可比矩陣，并進(jìn)一步推廣至多臂空間機(jī)器人以及得到適用于空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的一般形式。如圖5 所示，雙臂空間機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型主要包括衛(wèi)星基座、na自由度的機(jī)械臂（Arm-a）以及nb自由度的機(jī)械臂（Arm-b）。

圖5 雙臂空間機(jī)器人系統(tǒng)Fig.5 Two-arm space robot system

各個(gè)機(jī)械臂的末端速度表示如下：

圖7 基于混合任務(wù)優(yōu)先級(jí)的多臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程框圖Fig.7 Multi-arm motion planning flow diagram based on mixed task priorities

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立、協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃方法以及協(xié)調(diào)柔順控制方法的研究。同時(shí)為滿(mǎn)足空間碎片可靠收納和實(shí)現(xiàn)大量存儲(chǔ)功能，基于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化、大承載比的原則，進(jìn)行非金屬柔性構(gòu)型方案設(shè)計(jì)，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級(jí)展開(kāi)式收納結(jié)構(gòu)方案。針對(duì)空間非合作目標(biāo)缺乏先驗(yàn)特征知識(shí)的情況，擬依托目標(biāo)本體的固有特征進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別與位姿測(cè)量?？臻g碎片抓捕時(shí)，針對(duì)自由漂浮空間機(jī)器人可能出現(xiàn)的自碰撞問(wèn)題，擬開(kāi)展基于視覺(jué)反饋的混合優(yōu)先級(jí)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。針對(duì)多臂與目標(biāo)的安全接觸以及解決阻抗控制參數(shù)選取的困難，擬研究基于學(xué)習(xí)的阻抗參數(shù)在線(xiàn)辨識(shí)的多臂協(xié)調(diào)柔順控制方法。最后基于虛擬試驗(yàn)等半物理仿真手段對(duì)前述設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

總體設(shè)計(jì)方案如圖8 所示，總體技術(shù)路線(xiàn)如圖9所示。

圖8 總體設(shè)計(jì)方案Fig.8 Overall design scheme

圖9 總體技術(shù)路線(xiàn)Fig.9 Overall technical route

4 結(jié)論

本文就空間碎片清除技術(shù)的發(fā)展歷程以及現(xiàn)有技術(shù)的成熟度進(jìn)行了詳細(xì)介紹并歸納總結(jié)，分析了現(xiàn)有空間碎片清除技術(shù)存在的，如僅單次捕獲離軌，無(wú)法重復(fù)使用；缺乏柔性，會(huì)對(duì)目標(biāo)星造成物理?yè)p壞；效率低下等諸多問(wèn)題，面向自旋、章動(dòng)、逃逸、外形不規(guī)則碎片的可重用抓捕清除的客觀需求，提出了一種可重用空間碎片抓捕機(jī)器人方案。完成了空間機(jī)器人抓捕機(jī)構(gòu)平臺(tái)以及大空間彈夾式收納機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并初步擬定了可重用空間碎片抓捕機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案與通體技術(shù)路線(xiàn)。目前處于原理樣機(jī)設(shè)計(jì)階段，但該設(shè)計(jì)思路與方案對(duì)于可重用、柔性捕獲、大容量收納等空間碎片清除技術(shù)的探究與實(shí)現(xiàn)具有重要意義。