張文輝，葉曉平，季曉明，吳夏來，朱銀法，王超

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

0 引言

隨著空間技術的不斷發(fā)展，探索太空的活動得到了進一步延伸，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生存和工作的空間。但太空環(huán)境是一個微重力、高真空、強輻射、大溫差的惡劣環(huán)境，威脅著宇航員對于宇宙太空的進一步探索。在這樣危險的環(huán)境中，采用空間機器人協(xié)助或代替宇航員完成大量艱巨危險的任務正成為世界各空間大國的一致目標［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器人來完成，這些作業(yè)包括:通過機械手臂捕捉失效衛(wèi)星進行回收利用、在軌修理飛行器及補充燃料以延長飛行器工作壽命、進行大型空間機構的搬運和組裝、清理太空垃圾以避免與衛(wèi)星相撞、進行航天飛機和空間站的對接分離操作等，因此研究空間機器人對于航天技術發(fā)展具有重要意義［3-4］。

據(jù)有關數(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)星未能正確進入軌道，已進入軌道的有8%左右的衛(wèi)星不到30天即宣告失效。不計科研人力浪費，僅從研制到發(fā)射的投入資金來說，就造成了巨大損失。例如我國于2006年10月發(fā)射的“鑫諾二號”衛(wèi)星，由于太陽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)星自身安裝有機械手，那么在事故發(fā)生后通過及時維修是有可能避免損失的。

我國空間技術在快速發(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”目標飛行器和“神舟八號”宇宙飛船，并進行了無人交會對接。下一步還將發(fā)射“天宮二號”，并爭取在2020年建立長期有人居住空間站［6］。為了實現(xiàn)這個空間戰(zhàn)略目標，目前我國正加緊空間機器人的研究計劃，這些研究計劃的成功實施對進一步發(fā)展太空科技、提升戰(zhàn)略地位具有十分重要的意義。

1 空間機器人概述

空間機器人主要由空間機器人基體及搭載在基體上的機械臂組成，可以在太空中完成各種任務作業(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］。而這些任務很難由宇航員獨立完成，通常需要借助空間機器人協(xié)助執(zhí)行。執(zhí)行任務的空間機器人系統(tǒng)如圖1所示。

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

空間機器人與地面機器人的顯著區(qū)別是空間機器人的基體（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)，這樣相對于地面機器人系統(tǒng)增加了六個自由度?？臻g飛行器基體姿態(tài)和位置的調整通常利用動量輪或反作用噴氣推力器作為執(zhí)行機構，這無疑浪費了寶貴的有限燃料，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，這等同于地面機器人；第二種為基體位置不可控，姿態(tài)可控，這主要針對某些具有一定姿態(tài)要求的通訊衛(wèi)星進行相應調整；第三種為基體位置及姿態(tài)均不可控，即自由漂浮空間機器人，這種機器人最大范圍內(nèi)節(jié)省了燃料，延長了壽命。

2 國外空間機器人發(fā)展概況

2.1 加拿大空間機器人概況

世界上第一個成功應用于飛行器的空間機器人系統(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。該機械臂總長15.2 m，由一個肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)組成，其主要功能為投放衛(wèi)星進入恰當?shù)能壍篮途S修失效衛(wèi)星等，該機械臂還修理過哈勃太空望遠鏡。

在此基礎上，加拿大MD Robotic公司繼而開發(fā)了應用于空間站的遙控機械臂系統(tǒng)MSS［9］，如圖2（b）所示。該系統(tǒng)主要由活動基體系統(tǒng)、空間站遙控機械臂系統(tǒng)（SSRMS）及專用靈巧機械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS是一個七自由度機器人，由兩個臂桿組成，主要用于大型物體搬運和組裝；SPDM是SSRMS臂的靈巧手，長約3.5 m，質量約1 660 kg；靈巧機械臂的本體裝配在遙控機械臂系統(tǒng)的末端來執(zhí)行一些更加細致的操作任務［10］。

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

2.2 美國空間機器人概況

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

FTS是美國最早的空間機器人研究項目，主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測等繁雜任務［11］。FTS由兩個機械臂及一個定位腿組成，屬于類人機器人，機械臂可以在高靈巧系統(tǒng)中于工作空間內(nèi)無奇點地提供89 N的力和27 Nm的力矩。機械臂運動結構是對稱的，力/力矩傳感器安裝在機械臂末端，工作于遙操作模式下，如圖3（a）所示。

Skyworker由卡耐基-梅隆大學研制，屬于附著移動機器人［12］，如圖3（b）所示。該機器人借助于所在支撐平臺的反作用力，移動并操縱各種載荷進行工作。當承載載荷較大時，采用連續(xù)的步態(tài)保持負載勻速運動，避免每一步均進行加減速。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，是一種能夠對大空間結構自主裝配、監(jiān)測和維修的低成本機器人。

Ranger TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)［13］，具體如圖3（c）所示，項目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務的要求，而后在此基礎上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務的RTSX項目，如圖3（d）所示。

Robonaut是NASA開發(fā)的空間類人機器人［14］，如圖3（e）所示。它是一個多自由度靈巧機器人，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?！败壍揽燔嚒庇媱澥窃?999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給和修復、重構等技術，實驗修復衛(wèi)星，進行各類儀器的太空試驗，并利用在軌飛行演示與驗證［15］。

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

2.3 歐洲空間機器人概況

德國是歐洲國家中對空間機器人研究比較重視的國家，空間機器人研究主要有ROTEX項目、ESS項目、ROKVISS項目和 TECSAS項目等，如圖 4所示。

ROTEX項目于1986年開始，是一個小型六軸機器人系統(tǒng)［16］，1993年在哥倫比亞號航天飛機上進行了飛行演示，執(zhí)行了抓取物體、機械裝配及拔插電插頭等多個實驗任務，是世界上首例具有地面遙操作功能的空間機器人，具體組成如圖4（a）所示。

ESS項目如圖4（b）所示，是為GEO軌道通信衛(wèi)星進行服務的，其主要任務是將ROTEX中已經(jīng)驗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。

ROKVISS由一個兩關節(jié)機器人及相關輔助設備共同組成，主要用于驗證機械臂的功能，如圖4（c）所示［17］。該項目于2004年跟隨俄羅斯進步號宇宙飛船發(fā)射升空，然后在ISS上進行飛行試驗，并進行了相關實驗驗證［18］。

TECSAS項目是2003年德國宇航中心資助研究的［19］，如圖4（d）所示。該項目計劃采用目標衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星進行試驗，其中機械臂和手抓取系統(tǒng)安裝在跟蹤衛(wèi)星上，能夠對空間設備維修及服務系統(tǒng)中比較關鍵的技術進行實驗驗證。

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

歐空局的空間機器人研究項目主要有地球靜止軌道服務車GSV和服務于空間站的歐洲臂ERA。

GSV的概念提出于1990年，主要任務是對地球靜止軌道衛(wèi)星進行服務，GSV的具體外形如圖5（a）所示［20］。ERA是一個可重定位的、完全對稱的7關節(jié)機械臂［21］，如圖5（b）所示。ERA操作時采用固定其中的一端，而另一端作為執(zhí)行機構來進行操作，它可以工作于三種模式，分別為自主模式、預編程操作模式以及手動控制模式等。

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

意大利空間局ISA設計了具有高度自主性的自由飛行空間機器人SPIDER系統(tǒng)，主要任務是對在軌結構進行近距離的監(jiān)測以及維修［22］，這在空間機器人領域是一個戰(zhàn)略性的長期項目。SPIDER的機械臂共有7個旋轉關節(jié)，其運轉結構如圖6所示。

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

2.4 日本空間機器人概況

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

MFD系統(tǒng)是日本的第一個空間機械臂實驗項目［23］，在1997年于“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機上成功進行了演示實驗，如圖7（a）所示。其主要作用為:（1）對空間機械臂性能進行評估；（2）對空間機械臂控制系統(tǒng)人機接口的性能進行評估；（3）采用機械臂對ORU的安裝與卸載、門的開及關等能力進行演示實驗；（4）對地面遙操作進行演示實驗等。

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

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

JEMRMS是用于空間操作的機器人系統(tǒng)［25］，NASDA負責研制。該機器人由主臂和小臂SFA串聯(lián)組成，主臂長約10 m，主要由6個關節(jié)和2個臂桿組成；小臂長約2 m，主要由6個關節(jié)、2根臂桿以及一個末端效應器組成。宇航員執(zhí)行任務時可以借助于這兩個臂桿進行更多的操作，圖8為JEMRMS搬運有效載荷的過程。

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

3 國內(nèi)空間機器人概況

我國的空間機器人的研究起步較晚，國內(nèi)的一些研究所和高校在“八五”期間進行了空間機器人基礎項目以及地面仿真平臺的研制工作。國家高技術領域演示項目——“艙外自由移動機器人系統(tǒng)”EMR，屬于一套能夠執(zhí)行行走與操作能力的艙外空間機器人系統(tǒng)［26］，如圖9所示。這種移動機器人可以執(zhí)行擰螺絲、插拔插頭及抓拿漂浮物等精細操作；而且該空間機器人可以利用預先輸入的操作指令以及空間站遙控，執(zhí)行對空間站的裝配、檢測與維修任務，并承擔照看及維護科學實驗等服務工作。

圖9 中國的EMR空間機器人Fig.9 China EMR space robot system

4 結束語

空間機器人在國外已經(jīng)獲得較好的應用，而在國內(nèi)目前還處于探索階段。隨著我國空間實驗室“天宮二號”目標飛行器提上日程，大型空間機械臂研制也在加快進行。本文分別從空間機器人的概念、結構、用途等方面進行了論述，詳細介紹了國內(nèi)外空間機器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀。通過參考國外成熟的技術和發(fā)展經(jīng)驗，發(fā)展具有自己空間特色的機器人技術無疑將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益及社會效益。

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