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(jì)部，北京 100094）

（2空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

空間機(jī)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(jì)部，北京 100094）

（2空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

介紹了空間機(jī)器人的基本概念、特點(diǎn)和發(fā)展歷程，在簡述我國空間機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹了我國空間站機(jī)械臂、嫦娥三號(hào)巡視器和嫦娥五號(hào)采樣機(jī)械臂等空間機(jī)器人的研制情況。結(jié)合我國空間機(jī)器人型號(hào)研制和技術(shù)研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，對(duì)我國空間機(jī)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(jī)器人；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展思考

1 引言

空間機(jī)器人是在太空中執(zhí)行空間站建造與運(yùn)營支持、衛(wèi)星組裝與服務(wù)、行星表面探測(cè)與實(shí)驗(yàn)等任務(wù)的一類特種機(jī)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(jī)器人分為在軌操作機(jī)器人和星表探測(cè)機(jī)器人兩類［1-2］，前者包括在軌組裝、維護(hù)、檢查和輔助航天員活動(dòng)等空間機(jī)器人，后者包括巡視移動(dòng)、樣品采集、科學(xué)測(cè)量和輔助航天員探測(cè)等各類機(jī)器人。

隨著人類空間探索活動(dòng)的不斷深入，航天器的規(guī)模和復(fù)雜程度達(dá)到了前所未有的程度，如“國際空間站”（ISS）包括13個(gè)艙段、歷時(shí)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(dá)到千米級(jí)的大型空間設(shè)施；人類對(duì)于深空的探索方興未艾，月球、火星、小行星等星體探測(cè)成為當(dāng)前熱點(diǎn)，探測(cè)的深度和廣度也達(dá)到了一個(gè)新的階段，如機(jī)遇號(hào)火星車在火星上行程超過40 km，探測(cè)時(shí)間已達(dá)11年之久。此類航天活動(dòng)，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(cè)。為確保任務(wù)的安全、高效完成，空間機(jī)器人成為實(shí)現(xiàn)任務(wù)的主要工具和手段。

到目前為止，空間機(jī)器人已經(jīng)在“國際空間站”、月球探測(cè)和火星探測(cè)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(yàn)衛(wèi)星-7（ETS-VII）［4］等在軌技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目，嘗試?yán)每臻g機(jī)器人完成在軌故障衛(wèi)星的維修和服務(wù)，進(jìn)一步將空間機(jī)器人的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到在軌服務(wù)領(lǐng)域。因此，采用空間機(jī)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(shí)在成本、效率等方面也具有突出的優(yōu)勢(shì)［5］。

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

2 空間機(jī)器人的主要特點(diǎn)

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

（1）空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。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(shí)現(xiàn)長壽命，以及在無維護(hù)情況下實(shí)現(xiàn)高可靠。

（3）多任務(wù)適應(yīng)能力強(qiáng)。機(jī)器人面臨的任務(wù)包括捕獲、搬運(yùn)、固定、更換、加注、重構(gòu)、移動(dòng)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(yàn)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(jì)約束大幅增加。

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

3 國外空間機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

1981年，加拿大研制的航天飛機(jī)遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SRMS）隨哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)入軌［6］，成為世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的在軌操作機(jī)器人。之后，德國研制了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)器人ROTEX，對(duì)機(jī)器人地面遙操作技術(shù)進(jìn)行了全面而深入的驗(yàn)證［7］。1997年，日本發(fā)射了世界上第一個(gè)自由飛行機(jī)器人（ETS-VII），并完成了空間目標(biāo)抓捕、衛(wèi)星模塊更換等在軌操作技術(shù)驗(yàn)證工作［3］。2007年，美國通過“軌道快車”項(xiàng)目也完成了類似的驗(yàn)證［4］。“國際空間站”的建設(shè)與運(yùn)營需求有力地推動(dòng)了空間機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，2001年“國際空間站”遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SSRMS）入軌，2008年加拿大特殊用途靈巧機(jī)械臂（SPDM）、日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂（JEMRMS）相繼進(jìn)入“國際空間站”［8-9］，上述機(jī)器人在“國際空間站”的建造、維護(hù)和艙外實(shí)驗(yàn)等方面獲得了成功應(yīng)用。2011年，仿人形機(jī)器人航天員（Robonaut-2）進(jìn)入“國際空間站”，并成功開展了各類靈巧操作的技術(shù)驗(yàn)證，證明了機(jī)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(jī)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(diǎn)（如美國提出了鳳凰計(jì)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(jī)器人的發(fā)展將更加迅猛。

星表探測(cè)機(jī)器人的應(yīng)用最早見于20世紀(jì)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(biāo)志著星表探測(cè)機(jī)器人進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。1971年7月30日，由阿波羅15號(hào)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(shí)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(dòng)考察站火星-3探測(cè)器登上火星，這是世界上第一輛火星探測(cè)車［13］。1997年至2004年，美國旅居者號(hào)（Sojourner）［8］、勇氣號(hào)（Spirit）和機(jī)遇號(hào)（Opportunity）［8，15］火星車先后登陸火星，掀起了火星巡視探測(cè)的高潮。2012年，美國好奇心號(hào)（Curiosity）［16］著陸火星，成為目前執(zhí)行任務(wù)的功能最為強(qiáng)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(jī)械臂作為執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的主要工具，從而使得星表探測(cè)機(jī)器人具備了強(qiáng)大的星表操作能力。此外，鳳凰號(hào)（Phoenix）火星探測(cè)器上也配置了4自由度的采樣機(jī)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(duì)月球進(jìn)行全面深入探測(cè)的需要，由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室牽頭研制了大型月面移動(dòng)機(jī)器人——全地形適應(yīng)的六腿式地外探測(cè)器（ATHLETE）［18］，其主要特點(diǎn)是采用腿式移動(dòng)方式，并可通過改變構(gòu)型變化為輪式移動(dòng)，是一種對(duì)行星表面地形適應(yīng)能力更強(qiáng)的新型星表探測(cè)機(jī)器人。

國外空間機(jī)器人發(fā)展歷程參見圖1和圖2。

圖1 國外星表探測(cè)機(jī)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(jī)器人發(fā)展歷程Fig.2 Process of development of space manipulate robots abroad

4 我國空間機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

我國空間機(jī)器人技術(shù)研究開始于20世紀(jì)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(duì)空間機(jī)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(yùn)營、月球探測(cè)、火星探測(cè)等工程任務(wù)需求，我國自行研制了多套空間機(jī)器人系統(tǒng)，部分產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了空間應(yīng)用，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)獲得驗(yàn)證。

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

4.1 空間站核心艙機(jī)械臂

我國空間站包括核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II、節(jié)點(diǎn)艙（圖3），其中，核心艙配置大型機(jī)械臂［19］。要求機(jī)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(jī)械臂的主要任務(wù)

（1）空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接；

（2）懸停飛行器捕獲與輔助對(duì)接；

（3）支持航天員出艙活動(dòng)；

（4）艙外各類負(fù)載搬運(yùn)；

（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(jī)械臂研制面臨的難點(diǎn)

（1）空間站質(zhì)量限制嚴(yán)格；

（2）末端機(jī)電同步重復(fù)連接次數(shù)多；

（3）在軌操作任務(wù)地面驗(yàn)證難度大。

4.1.3 我國空間站機(jī)械臂研制

在空間站核心艙機(jī)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(jī)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(qiáng)度材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用、關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器等核心部件機(jī)電熱一體化設(shè)計(jì)、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(yàn)證等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)［20］。我國空間站機(jī)械臂與國際大型空間機(jī)械臂指標(biāo)對(duì)比情況見表1，可以看出，我國空間站機(jī)械臂在末端精度、速度等關(guān)鍵指標(biāo)上與國際一流水平相近。

表1 我國空間站機(jī)械臂與國際大型空間機(jī)械臂指標(biāo)對(duì)比表Table 1 Specification comparison of the Chinese space station manipulator and large scale manipulators abroad

4.2 嫦娥三號(hào)巡視器

4.2.1 主要任務(wù)

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

4.2.2 研制面臨的技術(shù)難點(diǎn)

由于我國首次研制地外天體表面巡視機(jī)器人系統(tǒng)，無以往成功經(jīng)驗(yàn)借鑒，研制面臨一系列技術(shù)難題，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)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(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)與驗(yàn)證均無經(jīng)驗(yàn)；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(yàn)證難度大。

4.2.3 采用的新技術(shù)

嫦娥三號(hào)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(cè)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(jì)了巡視器移動(dòng)形態(tài)和車輪形態(tài)，通過大量試驗(yàn)總結(jié)提出巡視器運(yùn)動(dòng)性能的技術(shù)評(píng)價(jià)體系，實(shí)現(xiàn)了月表環(huán)境的準(zhǔn)確模擬和移動(dòng)性能的充分驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上全面突破巡視器月面移動(dòng)技術(shù)；

（3）構(gòu)建了國內(nèi)首個(gè)巡視器內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)等試驗(yàn)設(shè)施，并創(chuàng)造性地提出了巡視探測(cè)地面試驗(yàn)方法，制定了巡視探測(cè)任務(wù)的地面驗(yàn)證試驗(yàn)方案、體系和標(biāo)準(zhǔn)，全面掌握了巡視探測(cè)的地面試驗(yàn)技術(shù)［21］。

嫦娥三號(hào)巡視器與國外類似產(chǎn)品指標(biāo)對(duì)比情況見表2。

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

4.3 嫦娥五號(hào)月球表面采樣機(jī)械臂

嫦娥五號(hào)探測(cè)器是我國探月工程重大科技專項(xiàng)“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略最后一步實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其中月球表面采樣機(jī)械臂又是嫦娥五號(hào)探測(cè)器任務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵產(chǎn)品，對(duì)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(hào)月球表面采樣機(jī)械臂承擔(dān)的主要任務(wù)包括：①到達(dá)月面采樣區(qū)域內(nèi)任意點(diǎn)實(shí)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(jí)封裝容器由著陸器轉(zhuǎn)移至上升器。

4.3.2 研制難點(diǎn)

月球表面采樣機(jī)械臂研制過程中的技術(shù)難點(diǎn)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(jì)和驗(yàn)證困難；②機(jī)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(shí)間大負(fù)載運(yùn)動(dòng)。

4.3.3 采取措施

為確保嫦娥五號(hào)成功實(shí)現(xiàn)月面采樣返回任務(wù)，技術(shù)人員采取如下應(yīng)對(duì)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(jī)械臂變形標(biāo)定和變形補(bǔ)償研究，在材料、零件、組件和整臂多層次上驗(yàn)證機(jī)械臂高溫負(fù)載性能等，以工程的方法較好地解決了技術(shù)難題。

5 對(duì)空間機(jī)器人后續(xù)發(fā)展的思考

5.1 空間機(jī)器人未來工程應(yīng)用前景

空間機(jī)器人主要特點(diǎn)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(duì)于在軌操作機(jī)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(jī)械臂系統(tǒng)，以及“國際空間站”艙內(nèi)外仿人操作機(jī)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(yuǎn)鏡等。

對(duì)于星表探測(cè)機(jī)器人來說，其主要應(yīng)用在深空探測(cè)領(lǐng)域，用于執(zhí)行不同地外天體表面巡視探測(cè)、樣品采集、科學(xué)實(shí)驗(yàn)，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(jī)器人產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)

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

1）在軌操作機(jī)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(jī)器人在捕獲、搬運(yùn)、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(xì)化、柔順化發(fā)展。因此，未來空間機(jī)器人將不再是僅配置一個(gè)末端執(zhí)行器，而是將根據(jù)操作需要，配置系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的操作工具包；對(duì)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(shí)，隨著機(jī)器人智能化程度的進(jìn)一步提高，空間機(jī)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(cè)機(jī)器人

人類對(duì)于空間的探測(cè)永無止境，深空探測(cè)必將從月球、火星向其它地外天體擴(kuò)展，對(duì)于星表探測(cè)機(jī)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(jī)器人本身的性能，如移動(dòng)速度、探測(cè)范圍、地形地貌適應(yīng)能力和自我恢復(fù)能力等。與探測(cè)對(duì)象的擴(kuò)展相適應(yīng)，對(duì)執(zhí)行采樣功能的機(jī)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(diǎn)。與在軌操作機(jī)器人一樣，星表探測(cè)機(jī)器人也將進(jìn)一步提升自主性，并逐步由單機(jī)器人探測(cè)向多機(jī)器人聯(lián)合探測(cè)方向發(fā)展。

5.3 空間機(jī)器人工程實(shí)現(xiàn)中的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)

從技術(shù)發(fā)展的角度來看，空間機(jī)器人的未來廣泛應(yīng)用，不僅要解決理論問題，而產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的工程技術(shù)問題同樣是未來空間機(jī)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(jì)技術(shù)

空間機(jī)器人是在航天器上使用的特種機(jī)器人，因此，空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是空間機(jī)器人設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一，設(shè)計(jì)時(shí)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(jī)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(shí)現(xiàn)，還需滿足無維護(hù)條件下長期服役的高可靠要求，因此，空間機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)一方面需充分考慮航天器上的有限資源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，另一方面需在航天器可承擔(dān)的前提下，通過冗余、裕度、降額等設(shè)計(jì)手段提高系統(tǒng)可靠性。

2）空間機(jī)器人輕量化、高精度實(shí)現(xiàn)技術(shù)

對(duì)于空間產(chǎn)品，確保性能的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化是最終目標(biāo)。高比剛度、高比強(qiáng)度材料的應(yīng)用是優(yōu)先采用的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)，基于數(shù)值計(jì)算的各種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，也是輕量化設(shè)計(jì)的重要手段之一。機(jī)電產(chǎn)品的高精度實(shí)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(jī)電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的前提。

3）空間機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

空間機(jī)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(jìn)行自主規(guī)劃和控制?？刂扑惴ǖ脑O(shè)計(jì)首先要考慮星上計(jì)算資源的限制，同時(shí)要充分考慮空間機(jī)器人輕質(zhì)、重載導(dǎo)致的大柔性特點(diǎn)，以及在軌操作對(duì)力、位的高精度要求。對(duì)于未來性能先進(jìn)的空間機(jī)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(shí)時(shí)計(jì)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(jī)器人系統(tǒng)地面驗(yàn)證技術(shù)

空間機(jī)器人的多自由度、多任務(wù)和特殊應(yīng)用環(huán)境給地面驗(yàn)證帶來了極大的困難。如機(jī)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(cè)量驗(yàn)證問題，大負(fù)載機(jī)器人的零重力、低重力環(huán)境下三維操作驗(yàn)證問題，星表探測(cè)機(jī)器人的低重力、真空、高低溫、粉塵多因素耦合下的移動(dòng)性能測(cè)試問題，以及行星特殊環(huán)境采樣操作驗(yàn)證問題等。這些問題都是空間機(jī)器人任務(wù)成功的前提條件，需要技術(shù)人員加以重點(diǎn)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(jī)器人技術(shù)是空間技術(shù)當(dāng)前和未來發(fā)展的熱點(diǎn)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(jī)器人技術(shù)完成國家重大科技專項(xiàng)任務(wù)的能力；

（2）空間機(jī)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(jī)器人未來發(fā)展的重點(diǎn)；

（3）實(shí)現(xiàn)空間機(jī)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(jì)、輕量化高精度機(jī)電產(chǎn)品、先進(jìn)的控制算法和硬件以及系統(tǒng)地面驗(yàn)證方法，需要技術(shù)人員重點(diǎn)關(guān)注。

（References）

［1］L Pedersen，D Kortenkamp，D Wettergreen，et al. NASA Exploration Team（NEXT）space robotics technology assessment report［M］.Moffett Field：Ames Research Center，2002

［2］L Pedersen，D Kortenkamp，D Wettergreen，et al.A survey of space roboics［C］//Proceeding of the 7th International Symposium on Artificial Intelligence，Robotics and Automation in Space（i-SAIRAS）.Nara：Japanese Aerospace eXploration Agency（JAXA），2003

［3］Mitsushige Oda.Space robot experiments on NASDA's ETS-VII satellite-preliminary overview of the experiment results［C］//Proceedings of the 1999 IEEE International Conference on Robotics and Automation.New York：IEEE，1999

［4］Andrew Ogilvie，Justin Allport，Michael Hannah，et al.Autonomous robotic operations for on-orbit satellite servicing，695809-1-12［C］//Proceedings of the SPIEThe International Society for Optical Engineering.Albuquerque：STAIF，2008

［5］NASA.Robotics，tele-robotics and autonomous systems roadmap（Technology Area 04）［R］.Washington D.C.：NASA，2012

［6］Michael Hiltz，Craig Rice，Keith Boyle，et al.CANADARM：20 years of mission success through adaptation［R］.Houston：NASA Johnson Space Center，2001

［7］Gerd Hirzinger，Bernhard Brunner，Johannes Dietrich，et al.Sensor-based space robotics-ROTEX and its telerobotic features［J］.IEEE Transactions on Robotics and Automation.1993，9（5）：649-663

［8］Bruno Siciliano，Oussama Khatib.Handbook of robotics［M］.Berlin：Springer，2008

［9］Elliott Coleshill，Layi Oshinowo，Richard Rembala，et al.Dextre：improving maintenance operations on the International Space Station［J］.Acta Astronautica，2009，64：69-874

［10］Thomas D Ahlstrom，Myron A Diftler?，Reginald B Berka，et al.Robonaut 2 on the International Space Station：status update and preparations for IVA mobility［C］//AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition.Washington D.C.：AIAA，2013

［11］David Barnhart，Brook Sullivan，Roger Hunter，et al. Phoenix project status 2013［C］//AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition.Washington D.C.：AIAA，2013

［12］T Boge1，T Wimmer，O Ma，et al.EPOS―using robotics for RvDsimulation of on-orbit servicing mis-sions［C］//AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference.Washington D.C.：AIAA，2010

［13］劉興杰，江磊，楊樹嶺，等.星球車行走系統(tǒng)和它的研制者們——俄羅斯篇［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008（3）：17-19 Liu Xingjie，Jiang Lei，Yang Shuling，et al.Planetary rovers and their manufacturer—Russia［J］.Robot Technique and Application，2008（3）：17-19（in Chinese）

［14］江磊，姚其昌，何亞麗，等.星球車行走系統(tǒng)和它的研制者們——美國篇［J］.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008，3：14-16 Jiang Lei，Yao Qichang，He Liya，et al.Planetary rovers and their manufacturer—America［J］.Robot Technique and Application，2008（3）：14-16（in Chinese）

［15］R A Lindemann，D B Bickler，B D Harrington.Mars exploration rover mobility development-mechanical mobility design，development，and testing［J］.IEEE Robotics&Automation Magazine，2006，6：19-26

［16］J P Grotzinger，J Crisp，A R Vasavada，et al.Mars Science Laboratory mission and science investigation［J］.Space Science Reviews，2012，170：5-56

［17］Robert Bonitz，Lori Shiraishi，Matthew Robinson，et al.The Phoenixmars lander robotic arm［C］//IEEE 2009 Aerospace conference.New York：IEEE，2009

［18］Brian H Wilcox.ATHLETE：lunar cargo handling for international lunar exploration［C］//AIAA SPACE 2010 Conference&Exposition.Washington D.C.：AIAA，2010：1-7

［19］周建平.我國空間站工程總體構(gòu)想［J］.載人航天，2013，19（2）：1-10 Zhou Jianping.Chinese space station project overall vision［J］.Manned Spaceflight，2013，19（2）：1-10（in Chinese）

［20］李大明，饒煒，胡成威，等.空間站機(jī)械臂關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.載人航天，2014，20（3）：238-242 Li Daming，Rao Wei，Hu Chengwei，et al.Key technology review of the research on the space station manipulator［J］.Manned Spaceflight，2014，20（3）：238-242（in Chinese）

［21］賈陽，申振榮，龐彧，等.月面巡視探測(cè)器地面試驗(yàn)方法與技術(shù)綜述［J］.航天器環(huán)境工程，2014，31（5）：464-469 Jia Yang，Shen Zhenrong，Pang Yu，et al.A review of field test methods and technologies for lunar rover［J］.Spacecraft Environment Engineering，2014，31（5）：464-469（in Chinese）

（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(jì)部部長，空間智能機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任，研究方向?yàn)榭臻g飛行器總體設(shè)計(jì)、空間機(jī)器人系統(tǒng)。Email：iamwyb@163.com。