趙 航，趙 陽，田 浩，安德孝

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著航天技術(shù)的日益進(jìn)步，以及人類對(duì)太空探索與利用的需求增加，大型化已成為未來航天器的發(fā)展趨勢之一，如空間站、空間太陽能電站、大型空間反射望遠(yuǎn)鏡等，其尺寸可達(dá)到公里級(jí)[1]。如此尺寸的大型空間設(shè)施無法一次性發(fā)射升空，需要分模塊發(fā)射后進(jìn)行在軌組裝，所帶來的是相應(yīng)的在軌抓取、轉(zhuǎn)移和裝配等問題。目前大型空間設(shè)施，如空間站，其在軌建設(shè)主要依靠空間機(jī)械臂或轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)完成艙段之間的簡單組裝[2]。隨著航天器功能的復(fù)雜化，其結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)在軌操控機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器提出了更高的適應(yīng)性要求，傳統(tǒng)在軌組裝方案面臨巨大挑戰(zhàn)：

首先，空間機(jī)械臂在軌完成大型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移和裝配時(shí)結(jié)構(gòu)剛度差、精度低、耗能大；自身結(jié)構(gòu)以及基座機(jī)動(dòng)范圍嚴(yán)重限制其操作范圍；機(jī)械形式固定，功能單一，無法適應(yīng)多種裝配任務(wù)的需求。

其次，未來大型空間設(shè)施的建設(shè)與運(yùn)行需要進(jìn)行監(jiān)視、檢修、預(yù)警、搬運(yùn)、輔助宇航員等操作任務(wù)，空間操控機(jī)構(gòu)的需求量和任務(wù)量將大大增加，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形式固定、執(zhí)行任務(wù)單一的空間操控裝置很難滿足要求。

因此，對(duì)于上述航天器大型化導(dǎo)致的空間復(fù)雜任務(wù)，需要一種執(zhí)行任務(wù)靈活自主，操控范圍廣，使用可靠性高，可變構(gòu)型，功能易擴(kuò)展的新型空間操控裝置。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人(Modular Reconfigurable Robotic System，MRRS)最早由Fukuda等人于1988年提出，稱為DRRS(Dynamic Reconfigurable Robitic System)[3]，這種機(jī)器人系統(tǒng)由若干模塊構(gòu)成，能根據(jù)需求自重構(gòu)為不同構(gòu)型。Yim等人認(rèn)為，在長期的太空任務(wù)中，具有自重構(gòu)能力的系統(tǒng)相比于固定構(gòu)型機(jī)器人具有以下優(yōu)勢：多任務(wù)和未知任務(wù)處理能力；節(jié)約發(fā)射質(zhì)量體積與發(fā)射次數(shù)，從而降低成本[4]。此外，模塊化機(jī)器人能夠?qū)π阅芙档突驌p壞的模塊進(jìn)行替換，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠性，降低在軌維護(hù)的成本。

模塊化自重構(gòu)機(jī)器人自其概念提出以來的三十年中，在設(shè)計(jì)制造，自重構(gòu)規(guī)劃，運(yùn)動(dòng)控制等領(lǐng)域均有長足發(fā)展[5-10]，對(duì)其在航天領(lǐng)域應(yīng)用亦有一定的研究[11-12]。如馬里蘭大學(xué)提出的MORPHbots (Modular On-Orbit Reconfigurable Cooperative High-dexterity Robots)[12]，是一種模塊化、在軌可重構(gòu)且具有多機(jī)器人協(xié)作能力的空間智能機(jī)器人系統(tǒng)。與一般的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人不同的是，MORPHbots依靠在大型空間結(jié)構(gòu)上使用專用機(jī)械臂將各個(gè)模塊進(jìn)行組裝形成結(jié)構(gòu)形式多樣的機(jī)器人，以完成不同任務(wù)。

當(dāng)前模塊化機(jī)器人多為同構(gòu)(homogenous)或n類模塊型(n-modular，其中n多為2)，相比異構(gòu)(heterogeneous)模塊化機(jī)器人來說，其設(shè)計(jì)、重構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制更加簡單，但同時(shí)降低了系統(tǒng)的構(gòu)型能力、功能以及任務(wù)適應(yīng)性。此外，當(dāng)前自重構(gòu)模塊化機(jī)器人研究重點(diǎn)主要在其機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)型規(guī)劃與控制、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制等方面[5-12]。模塊化機(jī)器人目標(biāo)構(gòu)型求解與優(yōu)化問題的研究主要集中在可重構(gòu)模塊化機(jī)器人領(lǐng)域中，該問題的研究對(duì)象通常為串聯(lián)構(gòu)型[13-15]，而對(duì)于自重構(gòu)模塊化機(jī)器人的相關(guān)研究近年來則鮮有報(bào)道[5,16]，面向任務(wù)的復(fù)雜構(gòu)型求解與優(yōu)化問題仍需要進(jìn)一步深入研究。綜上，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人一方面受模塊種類的限制，另一方面由于當(dāng)前對(duì)目標(biāo)構(gòu)型求解的研究尚有一定不足，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有限，無法滿足復(fù)雜空間任務(wù)的需求。

空間細(xì)胞機(jī)器人(Cellular Space Robot)[17]是一種應(yīng)用于空間操作任務(wù)并實(shí)現(xiàn)多層次完全自主重構(gòu)的新型空間操控裝置。細(xì)胞機(jī)器人的概念最早源自Fukuda等人提出的CEBOT(Cellular Robotic System)[18]，其從生物學(xué)領(lǐng)域細(xì)胞的概念獲取靈感，將傳統(tǒng)機(jī)器人進(jìn)行單層模塊化劃分，各個(gè)模塊(稱為“細(xì)胞”)均具有一定的智能且能夠?qū)崿F(xiàn)“細(xì)胞”間的自主連接與分離。然而隨著DRRS的提出，細(xì)胞機(jī)器人的概念逐步被模塊化自重構(gòu)機(jī)器人所替代。西北工業(yè)大學(xué)的黃攀峰等基于CellSat提出空間細(xì)胞機(jī)器人[19]的概念，是對(duì)空間細(xì)胞衛(wèi)星概念體系的延伸與改進(jìn)，其主要設(shè)計(jì)思想是將航天器系統(tǒng)本身按照典型子系統(tǒng)進(jìn)行模塊化劃分，以實(shí)現(xiàn)不同的在軌任務(wù)需求。北京可以科技公司于2014年推出的一款應(yīng)用于素質(zhì)教育領(lǐng)域的CellRobot也采用了細(xì)胞機(jī)器人的概念，但其實(shí)質(zhì)上是可重構(gòu)模塊化機(jī)器人，模塊之間的組裝需要通過人工進(jìn)行。不同于CEBOT、CellRobot、細(xì)胞衛(wèi)星與MRRS，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)是面向航天領(lǐng)域任務(wù)的，獨(dú)立于現(xiàn)有航天器的空間操控裝置，其具有不同于模塊化機(jī)器人的多層次模塊劃分，能夠很好的平衡系統(tǒng)功能性與復(fù)雜性，且在體系中引入了具有求解目標(biāo)構(gòu)型功能的決策層，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主重構(gòu)，因此能夠滿足復(fù)雜空間任務(wù)的需求。

然而空間細(xì)胞機(jī)器人原有體系中的層次化劃分較為粗略，且無法實(shí)現(xiàn)不同層次間的解耦，不利于空間細(xì)胞機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)和后續(xù)研究。針對(duì)上述問題，本文依托空間細(xì)胞機(jī)器人的概念，對(duì)其原本的層次化體系進(jìn)行改進(jìn)，提出了建立在全新系統(tǒng)化體系之下的空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)(Space Cellular Robotic System，SCRS)，并對(duì)各個(gè)相關(guān)概念進(jìn)行了重定義。

本文首先對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的概念體系進(jìn)行詳細(xì)闡述，分別從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分進(jìn)行介紹，給出其系統(tǒng)組成并對(duì)其系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析；通過空間細(xì)胞機(jī)器人面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)和接口設(shè)計(jì)，來闡明其硬件設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則與理念；隨后提出空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)研究中涉及的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如多智能體協(xié)同不確定行為規(guī)劃、多層次機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型決策、多層次分布式冗余感知信息融合、多智能體協(xié)同無環(huán)境地圖自主導(dǎo)航以及多智能體分層協(xié)同分布式控制等；最后本文結(jié)合當(dāng)前航天技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)未來應(yīng)用場景提出展望。

1 概念體系

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)(Space Cellular Robotic System，SCRS)是一種新型的空間智能操控裝置，它由若干數(shù)量同構(gòu)和異構(gòu)的單元組成，能夠通過多層次自主重構(gòu)而實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)型和不同功能的機(jī)器人或機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，以滿足不同空間任務(wù)的需求?？臻g細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)繼承了傳統(tǒng)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人對(duì)多任務(wù)和未知任務(wù)的處理能力，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)和柔性化軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)，使其具有更好的重構(gòu)能力、更完善的功能以及更強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性。

1.1 硬件系統(tǒng)

空間細(xì)胞機(jī)器人硬件系統(tǒng)是和空間細(xì)胞機(jī)器人物理組成相關(guān)的所有機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的總和，包括細(xì)胞、組織、器官與機(jī)器人及團(tuán)隊(duì)四個(gè)層次。

細(xì)胞是空間細(xì)胞機(jī)器人的最小組成單元，也是其最小設(shè)計(jì)單元。細(xì)胞主要可以分為三類：①關(guān)節(jié)細(xì)胞，用于提供旋轉(zhuǎn)自由度；②功能細(xì)胞，用于提供面向任務(wù)的功能；③間質(zhì)細(xì)胞，用于實(shí)現(xiàn)胞間的重構(gòu)操作。

組織是空間細(xì)胞機(jī)器人的最小廣義運(yùn)動(dòng)單元，由細(xì)胞組成。廣義運(yùn)動(dòng)是傳統(tǒng)意義運(yùn)動(dòng)的擴(kuò)展，包括旋轉(zhuǎn)與平移等傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，也包括傳感等功能運(yùn)動(dòng)。組織可以分為兩類：①關(guān)節(jié)組織，用于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)與平移運(yùn)動(dòng)；②功能組織，用于實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展的功能運(yùn)動(dòng)。

器官是空間細(xì)胞機(jī)器人面向行為的最小功能單位，由組織組成。每個(gè)器官都能夠?qū)崿F(xiàn)若干運(yùn)動(dòng)組合而成的一種或幾種行為。

機(jī)器人及團(tuán)隊(duì)是最終用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)的單位，由器官組成，能夠?qū)崿F(xiàn)一種或幾種指定任務(wù)。

上述概念是對(duì)硬件系統(tǒng)層次的定義，按照該層次的定義，當(dāng)物理意義上的單個(gè)細(xì)胞直接去完成任務(wù)時(shí)，該細(xì)胞則劃分至機(jī)器人層次；而當(dāng)單個(gè)細(xì)胞直接實(shí)現(xiàn)一種行為時(shí)，該細(xì)胞則劃分至器官層次。如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)概念體系Fig.1 Conceptions of hardware system

1.2 軟件系統(tǒng)

空間細(xì)胞機(jī)器人軟件系統(tǒng)是和空間細(xì)胞機(jī)器人決策與控制相關(guān)的所有算法及軟件的總和，主要包括四大功能：行為決策、構(gòu)型決策、行為控制以及構(gòu)型控制。

行為決策是對(duì)任務(wù)及環(huán)境到機(jī)器人行為映射的研究，用于尋找能夠?qū)崿F(xiàn)指定環(huán)境下的指定任務(wù)的行為序列或行為樹。對(duì)于未知任務(wù)，總是能夠設(shè)置若干已知的前置任務(wù)進(jìn)行觀測，以逐步減少該未知任務(wù)的未知因素，最終將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐阎蝿?wù)。因此可以認(rèn)為行為決策處理的總是已知任務(wù)。

構(gòu)型決策則是對(duì)機(jī)器人行為到構(gòu)型映射的研究，用于尋找能夠?qū)崿F(xiàn)指定行為的機(jī)器人構(gòu)型。目標(biāo)構(gòu)型是在一定約束條件下對(duì)行為決策得出的行為序列或行為樹實(shí)現(xiàn)最優(yōu)覆蓋的機(jī)器人構(gòu)型，而該構(gòu)型通常情況下無法實(shí)現(xiàn)對(duì)行為的完全覆蓋，需要在執(zhí)行行為時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，這也是構(gòu)型決策的研究內(nèi)容。

構(gòu)型控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)從初始構(gòu)型重構(gòu)到目標(biāo)構(gòu)型的過程。

行為控制則是機(jī)器人系統(tǒng)執(zhí)行決策行為以完成目標(biāo)任務(wù)的過程。

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)處理的對(duì)象主要包括外部的任務(wù)和環(huán)境，自身的行為和構(gòu)型，而這些對(duì)象之間則由上述的軟件系統(tǒng)功能相互聯(lián)系起來，如圖2所示。

圖2 軟件系統(tǒng)概念體系Fig.2 Conceptions of software system

1.3 系統(tǒng)組成

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)由表達(dá)系統(tǒng)、決策系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以及管理系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)及其之間的關(guān)系如圖3所示。

表達(dá)系統(tǒng)的主要功能是將任務(wù)、環(huán)境及空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)本身表達(dá)為決策可用的數(shù)學(xué)模型；決策系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)行為決策及構(gòu)型決策功能；控制系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的行為與構(gòu)型控制；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)是空間細(xì)胞機(jī)器人硬件系統(tǒng)的總和，負(fù)責(zé)根據(jù)控制系統(tǒng)的控制指令完成指定行為，實(shí)現(xiàn)指定構(gòu)型；管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的支撐框架，用于進(jìn)行統(tǒng)一的子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互管理、多線程工作流管理以及系統(tǒng)資源調(diào)度管理等。

圖3 空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of SCRS

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人相比，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)與優(yōu)勢：

1)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人通常以同構(gòu)或n類模塊型(類同構(gòu))為主，異構(gòu)系統(tǒng)通常僅應(yīng)用于編隊(duì)作業(yè)，此外，模塊化自重構(gòu)機(jī)器人在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上僅有單一層次上的重構(gòu)，即單元模塊重構(gòu)為系統(tǒng)級(jí)別單元，導(dǎo)致其構(gòu)型種類有限，應(yīng)用場景單一，無法適應(yīng)復(fù)雜空間任務(wù)；空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)采用多層次重構(gòu)設(shè)計(jì)，重構(gòu)過程中劃分為細(xì)胞、組織、器官至機(jī)器人四個(gè)層次，大大增加了構(gòu)型的豐富性和靈活性，且降低了對(duì)單一層次模塊種類的需求，能夠很好適應(yīng)空間復(fù)雜任務(wù)。

2)當(dāng)前模塊化自重構(gòu)機(jī)器人的研究很少涉及面向任務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)型決策，使其只能由已知構(gòu)型向人為確定的目標(biāo)構(gòu)型進(jìn)行重構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)完全自主地應(yīng)對(duì)復(fù)雜空間任務(wù)；空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)通過對(duì)決策系統(tǒng)的研究，能夠完成從任務(wù)到機(jī)器人行為與構(gòu)型的映射，使其具有自主制定最優(yōu)化目標(biāo)行為及目標(biāo)構(gòu)型的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)完全自主地應(yīng)對(duì)已知與未知任務(wù)。

3)傳統(tǒng)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人分別自成體系，其模塊研制完成即系統(tǒng)完全定型，很難進(jìn)行大量擴(kuò)充和更改；而空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)則制定一系列的系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)思想，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)下很容易根據(jù)給定接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行新硬件的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展。

2 設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)空間操控裝置如空間機(jī)械臂，是針對(duì)某個(gè)或某些特定任務(wù)需求進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的，這使其具有專用性，功能相對(duì)單一。模塊化自重構(gòu)機(jī)器人則是針對(duì)應(yīng)用場景可能的需求設(shè)計(jì)單元模塊，進(jìn)而組合形成能夠完成不同任務(wù)的機(jī)器人構(gòu)型，具有一定的多任務(wù)適應(yīng)性。傳統(tǒng)的模塊化自重構(gòu)機(jī)器人分為同構(gòu)和異構(gòu)兩類，目前其設(shè)計(jì)多為同構(gòu)類型或n類模塊型，如PolyBot[6]、M-TRAN[8]-[9]系列等。為使空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的構(gòu)型能力，同時(shí)不致系統(tǒng)過于復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)上，除末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)外，盡量采用同構(gòu)設(shè)計(jì)；而在功能上，則盡量使每個(gè)模塊功能單一化。

空間細(xì)胞機(jī)器人在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上借鑒了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的理念：首先針對(duì)應(yīng)用場景的任務(wù)需求進(jìn)行細(xì)胞類和接口的抽象化設(shè)計(jì)，描述各類細(xì)胞的屬性、方法，便于通過建立新的抽象類和對(duì)抽象類進(jìn)行繼承而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)橫向和縱向的擴(kuò)展；然后再根據(jù)具體的功能需求進(jìn)行類的實(shí)例化，設(shè)計(jì)具體的細(xì)胞硬件，從而實(shí)現(xiàn)軟件硬件化的整體設(shè)計(jì)思路。

2.1 面向?qū)ο笙到y(tǒng)設(shè)計(jì)

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)借鑒面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)思想，其設(shè)計(jì)流程如圖4所示，其中對(duì)任務(wù)的分析如虛線所示。首先，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成可以抽象為單元類，這是系統(tǒng)所有子類的父類，即系統(tǒng)所有其他抽象類與實(shí)體類均繼承自單元類；細(xì)胞/組織/器官類是直接繼承單元類的抽象類，是各類細(xì)胞/組織/器官抽象類的父類；上述抽象類是由空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)體系決定的，與應(yīng)用場景和任務(wù)無關(guān)，主要反應(yīng)各層次基本單元通用的抽象屬性與方法。其次，在某一應(yīng)用場景下，對(duì)可能涉及的任務(wù)需求進(jìn)行分析，進(jìn)而得到對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)功能的需求，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的細(xì)胞/組織/器官實(shí)體類。最后根據(jù)多種實(shí)體類抽象化各層次單元的抽象類。

圖4 面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.4 Object-oriented system designing

在得到較為完備的抽象類之后，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中對(duì)任務(wù)的分析便轉(zhuǎn)向?yàn)槿鐖D4實(shí)線所示。當(dāng)出現(xiàn)新的應(yīng)用場景及任務(wù)時(shí)，根據(jù)相應(yīng)功能需求選定細(xì)胞/組織/器官抽象類，再進(jìn)行相應(yīng)實(shí)體類設(shè)計(jì)。

這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，便于采用繼承和重載方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行縱向擴(kuò)展；同時(shí)也便于應(yīng)對(duì)新任務(wù)新需求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行橫向的擴(kuò)展。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1實(shí)體類設(shè)計(jì)

本文給出一種空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)例的硬件設(shè)計(jì)，在不具備較完備的抽象類時(shí)，硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由任務(wù)到實(shí)體類的，以典型的空間三角桁架結(jié)構(gòu)在軌裝配場景(如圖5所示)為例，首先對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析，完成單段桁架自組裝任務(wù)需要1個(gè)監(jiān)控機(jī)器人，至少2個(gè)搬運(yùn)/操控機(jī)器人(5-DoF以上，對(duì)稱布置末端抓取裝置)。

圖5 空間三角桁架結(jié)構(gòu)在軌裝配Fig.5 On-orbit assembly of space triangular truss structure

面向空間三角桁架在軌裝配任務(wù)的空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)體類設(shè)計(jì)流程如圖6所示，根據(jù)任務(wù)所需功能，系統(tǒng)由器官到細(xì)胞依次可以劃分為：操控器官、監(jiān)控器官；操控組織、監(jiān)控組織等功能組織，擺轉(zhuǎn)組織、旋轉(zhuǎn)組織等關(guān)節(jié)組織；旋轉(zhuǎn)細(xì)胞、擺轉(zhuǎn)細(xì)胞等關(guān)節(jié)細(xì)胞，間質(zhì)細(xì)胞。

完成由任務(wù)到器官、組織及細(xì)胞實(shí)體的功能性設(shè)計(jì)之后，可以將系統(tǒng)硬件的具體設(shè)計(jì)最終歸結(jié)到單胞與接口的設(shè)計(jì)。

圖6 空間細(xì)胞機(jī)器人實(shí)體類設(shè)計(jì)流程Fig.6 Entity classes design flow of SCRS

2.2.2單胞設(shè)計(jì)

在空間三角桁架裝配場景下，關(guān)節(jié)細(xì)胞設(shè)計(jì)為包含4個(gè)被動(dòng)連接面的立方體構(gòu)型，如圖7所示。

關(guān)節(jié)細(xì)胞采用1個(gè)面齒輪和2個(gè)直齒漸開線齒輪構(gòu)成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中面齒輪所在平面作為運(yùn)動(dòng)輸出面。定義面齒輪在平面內(nèi)繞自身中心線運(yùn)動(dòng)時(shí)為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；定義面齒輪繞直齒輪旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)時(shí)為擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖8所示。

圖7 關(guān)節(jié)細(xì)胞模塊傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.7 Drive system of the joint cell

圖8 關(guān)節(jié)細(xì)胞自由度示意圖Fig.8 Schematic diagram of the DoFs of joint cell

間質(zhì)細(xì)胞設(shè)計(jì)為包含2個(gè)主動(dòng)連接平面和2個(gè)被動(dòng)連接平面的立方體構(gòu)型，如圖9所示。

圖9 間質(zhì)細(xì)胞主動(dòng)連接面示意圖Fig.12 Schematic diagram of the active junction surface of mesenchyme cell

2.2.3接口設(shè)計(jì)

關(guān)節(jié)細(xì)胞與間質(zhì)細(xì)胞分別具有獨(dú)立的電源與控制器，細(xì)胞間的數(shù)據(jù)通信通過無線通訊模塊實(shí)現(xiàn)，因此空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)單胞接口設(shè)計(jì)中只需要進(jìn)行連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)即可。

細(xì)胞間機(jī)械連接機(jī)構(gòu)由主被動(dòng)連接平面組成，分別帶有4個(gè)均布的鉤爪與鉤孔。主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與正弦機(jī)構(gòu)組成。

為防止關(guān)節(jié)細(xì)胞旋轉(zhuǎn)與擺轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)之間的耦合，設(shè)計(jì)機(jī)械限位來輔助自由度模式的切換，如圖10所示。

圖10 主動(dòng)連接機(jī)構(gòu)動(dòng)作序列示意圖Fig.10 Schematic diagram of action sequence of the active connecting mechanism

連接時(shí)，當(dāng)主動(dòng)連接面的鉤爪隨曲柄滑塊機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋出第一預(yù)設(shè)角度，旋入被動(dòng)連接面鉤孔中，完成主被動(dòng)平面連接，此時(shí)功能模塊輸出旋轉(zhuǎn)自由度；當(dāng)鉤爪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)旋入面齒輪支撐件連接孔內(nèi)，完成主被動(dòng)平面及支撐件連接與鎖定，此時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械限位，功能模塊輸出擺轉(zhuǎn)自動(dòng)度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 多智能體協(xié)同不確定行為規(guī)劃

行為規(guī)劃用于將給定任務(wù)分解轉(zhuǎn)化為機(jī)器人可以直接執(zhí)行的動(dòng)作，行為規(guī)劃技術(shù)目前已有很多研究，如利用各類搜索算法的經(jīng)典規(guī)劃、圖規(guī)劃，分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，針對(duì)時(shí)間和資源約束的時(shí)態(tài)規(guī)劃與資源調(diào)度，針對(duì)不確定性的馬爾科夫決策過程規(guī)劃、模型檢測規(guī)劃，多智能體規(guī)劃等等[20]。

對(duì)于空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)，考慮其自身特點(diǎn)和面向的空間任務(wù)的特殊性和復(fù)雜性，如空間環(huán)境和任務(wù)可能出現(xiàn)不可預(yù)知的變化，需要系統(tǒng)在執(zhí)行行為的過程中規(guī)避危險(xiǎn)，對(duì)狀態(tài)的觀測可能不完整等等，規(guī)劃特點(diǎn)如下：

1)系統(tǒng)Σ是：動(dòng)態(tài)的、無限的、不確定的和部分可觀的；

2)規(guī)劃解需要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程的約束；

3)規(guī)劃器需要考慮系統(tǒng)在規(guī)劃過程中的變化，判斷當(dāng)前規(guī)劃解是否仍然適用，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃；

4)對(duì)于機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，需要實(shí)現(xiàn)針對(duì)多智能體的規(guī)劃。

目前對(duì)于具有上述某些單一或部分特點(diǎn)的規(guī)劃問題已有很多研究[21-24]，而對(duì)于空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)，需要將多智能體與不確定因素等進(jìn)行綜合考慮，這涉及到多種規(guī)劃方法的集成問題，也是當(dāng)前自動(dòng)規(guī)劃問題發(fā)展的方向[20]。

3.2 多層次機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型決策

3.2.1構(gòu)型分層求解

構(gòu)型求解問題在模塊化可重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域有一定的研究[13-15]，而模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域研究鮮有報(bào)道。Fukuda等人在對(duì)DRRS系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，針對(duì)串聯(lián)機(jī)械臂類構(gòu)型提出了一種計(jì)算-優(yōu)化兩步構(gòu)型決策方法[5-16]。Murata等人在M-TRAN的研究中提出，如何根據(jù)給定任務(wù)得到最優(yōu)化或近似最優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)型，對(duì)于自重構(gòu)系統(tǒng)來說是一個(gè)普遍的問題[8]，然而并未在后續(xù)研究中對(duì)此問題進(jìn)行解決。

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)型求解是一個(gè)分層求解問題，首先基于已知的構(gòu)型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)行為規(guī)劃得到的規(guī)劃解集合{aS}，可以根據(jù)集合覆蓋問題[25]的解算方法，用已知構(gòu)型的各自功能集Func對(duì){aS}覆蓋以進(jìn)行構(gòu)型求解；當(dāng)已知構(gòu)型數(shù)據(jù)庫無法實(shí)現(xiàn)行為集合覆蓋時(shí)，將未能實(shí)現(xiàn)的行為ai分解為動(dòng)作集{ab}，映射到更低層次構(gòu)型(器官、組織甚至細(xì)胞)的功能，通過低層次構(gòu)型對(duì)行為的分解集{ab}進(jìn)行覆蓋，再按約束條件將低層次構(gòu)型組裝為新的機(jī)器人構(gòu)型補(bǔ)充到數(shù)據(jù)庫中；如果低層次構(gòu)型仍不滿足需求，則需要針對(duì)無法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作向空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)補(bǔ)充新的單胞設(shè)計(jì)。

3.2.2多層次構(gòu)型規(guī)劃

構(gòu)型規(guī)劃問題在模塊化自重構(gòu)機(jī)器人領(lǐng)域已進(jìn)行了較多研究，其已被證實(shí)為NP完全問題，目前對(duì)于構(gòu)型規(guī)劃問題尚未有通解。從模塊化自重構(gòu)機(jī)器人概念提出至今，已有很多重構(gòu)問題解決方法被提出，如各種搜索算法、分層任務(wù)網(wǎng)絡(luò)(HTN)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、遺傳算法等，基于控制的隨機(jī)動(dòng)作、分布式規(guī)劃等，基于智能體的元胞自動(dòng)機(jī)、馬爾科夫決策過程(MDP)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等，基于仿生的虛擬胚胎形成、胞質(zhì)流等[26]。

構(gòu)型求解的結(jié)果可能分為幾種情況：單一構(gòu)型；多構(gòu)型協(xié)同；行為規(guī)劃解相似結(jié)構(gòu)。對(duì)于前兩者，構(gòu)型規(guī)劃即求取實(shí)現(xiàn)從初始構(gòu)型C0到目標(biāo)構(gòu)型Cg的重構(gòu)操作規(guī)劃解AC；而對(duì)于最后一種情況，構(gòu)型規(guī)劃則與行為規(guī)劃解相關(guān)：首先要求取從初始構(gòu)型C0到初始目標(biāo)構(gòu)型Cg 0的規(guī)劃解，然后需要根據(jù)當(dāng)前所需執(zhí)行的行為及構(gòu)型求解結(jié)果決定執(zhí)行行為之前是否需要進(jìn)行重構(gòu)操作。

3.3 多智能體協(xié)同無環(huán)境地圖自主導(dǎo)航

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重構(gòu)和自主的完成指定任務(wù)，自主導(dǎo)航是一項(xiàng)重要技術(shù)。機(jī)器人系統(tǒng)自主導(dǎo)航包括定位、環(huán)境地圖創(chuàng)建與路徑規(guī)劃。其中，將定位與地圖創(chuàng)建相結(jié)合的技術(shù)稱為同步定位與地圖構(gòu)建(Simultaneous Localization And Mapping，SLAM)[27]，是機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，也是進(jìn)行路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)和前提。路徑規(guī)劃[28]是機(jī)器人系統(tǒng)自主導(dǎo)航的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括從起始點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的全局路線規(guī)劃以及進(jìn)行實(shí)時(shí)避障的本地路線規(guī)劃。

對(duì)于空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)，由于處于空間環(huán)境中，若采用SLAM技術(shù)，很難事先構(gòu)建精確的環(huán)境地圖，無地圖導(dǎo)航[29]則是一個(gè)很好的解決辦法；同時(shí)也要求路徑規(guī)劃具有更強(qiáng)的環(huán)境變化響應(yīng)能力；此外，多機(jī)器人協(xié)同路徑規(guī)劃也是空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用中所面臨的問題，同時(shí)也是當(dāng)前路徑規(guī)劃的研究熱點(diǎn)。

3.4 多智能體分層協(xié)同分布式控制

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)由大量細(xì)胞、組織、器官單元構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次復(fù)雜；此外，為完成復(fù)雜的空間任務(wù)，空間細(xì)胞機(jī)器人通常需要形成多機(jī)器人團(tuán)隊(duì)進(jìn)行協(xié)同工作。因此，傳統(tǒng)的控制方法很難應(yīng)用到空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)當(dāng)中。基于行為的多智能體控制技術(shù)，以智能體為單元進(jìn)行多智能體分布并行控制，能夠根據(jù)需求增減或修改智能體控制單元，增加控制系統(tǒng)靈活性與適應(yīng)性，是空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)控制問題的一種有效解決方法。

多智能體協(xié)同控制技術(shù)自提出以來已經(jīng)在一致性控制、集群控制、編隊(duì)控制、跟蹤控制等問題上有了一定研究和發(fā)展[30-32]。對(duì)于空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)，如何將多智能體控制技術(shù)與其系統(tǒng)特點(diǎn)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)多層次分布式控制體系，以及將多智能體控制算法與其他智能控制算法相結(jié)合以提高控制效率、發(fā)揮分布式控制系統(tǒng)性能，則是后續(xù)研究的關(guān)鍵。

4 應(yīng)用展望

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、多層次模塊化、可自重構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有很強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性，能夠完成復(fù)雜多變的空間任務(wù)；所采用的面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)理念，使系統(tǒng)具有良好的橫向與縱向擴(kuò)展能力?？臻g細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)是未來空間操控裝置的發(fā)展趨勢，適用于在軌建設(shè)、在軌維護(hù)等任務(wù)周期長、機(jī)器人操作復(fù)雜、任務(wù)多變的應(yīng)用場景，乃至大型行星的長期探測任務(wù)。

4.1 在軌建設(shè)與維護(hù)

當(dāng)前大型空間設(shè)施的建設(shè)方式主要有在軌展開和在軌組裝兩種，如空間大型天線和太陽電池板多采用在軌展開方式，國際空間站則采用艙段拼接的在軌組裝方式進(jìn)行構(gòu)建[33-34]。限于運(yùn)載能力，在軌組裝將成為未來大型空間設(shè)施建設(shè)的重要方式。當(dāng)前在軌組裝主要有通過空間機(jī)械臂或轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的艙段拼接，以及如iBoss等細(xì)胞衛(wèi)星[19]的單元模塊在軌組裝。未來大型空間設(shè)施尺寸將達(dá)公里級(jí)，以傳統(tǒng)的空間機(jī)械臂很難完成如此大規(guī)模的在軌組裝任務(wù)；如果采用空間設(shè)施單元模塊自組裝，每個(gè)單元模塊必須攜帶一定的動(dòng)力裝置與能源，大大增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度與發(fā)射載荷。

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)不僅能夠通過重構(gòu)形成不同功能構(gòu)型的機(jī)器人，具有提供完全自主的在軌組裝與維護(hù)能力；還能夠構(gòu)成多種功能的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，通過多機(jī)器人協(xié)同工作，具有更加靈活的在軌組裝能力以及更廣的在軌操控范圍；空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)自身的模塊可替換性，大大降低了發(fā)射成本，提高了操控裝置系統(tǒng)的可靠性；此外，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的細(xì)胞、組織、器官等單元在特殊情況下，亦能夠作為操控目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的替代而使用。

4.2 長周期行星探測

行星探測是人類對(duì)地外星體的觀測與探索，迄今為止，人類已經(jīng)向太陽系的諸多行星、衛(wèi)星及小行星發(fā)射了無人探測器。行星探測的發(fā)展趨勢是行星表面軟著陸并進(jìn)行采樣，這促使了行星探測機(jī)器人的發(fā)展。行星探測機(jī)器人能夠大大節(jié)省探測成本、完成長期實(shí)地考察。行星探測機(jī)器人的研究重點(diǎn)是其在各種非結(jié)構(gòu)化表面上的移動(dòng)能力[35]。

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的自重構(gòu)和模塊更換能力，使其能夠根據(jù)環(huán)境情況自主選擇相應(yīng)的移動(dòng)方式，從而克服未知環(huán)境和突發(fā)因素造成的困難，提高行星探測的可靠性，適應(yīng)長期探測任務(wù)。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)一種新型的空間操作裝置空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的概念體系，并對(duì)其行為及構(gòu)型決策、機(jī)器人控制、自主導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)與未來的發(fā)展方向進(jìn)行了討論?？臻g細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)能夠用于完成大型空間結(jié)構(gòu)的在軌運(yùn)輸、組裝、維修與監(jiān)測，非結(jié)構(gòu)化表面勘測、采樣等任務(wù)，適用于在軌服務(wù)、行星探測等多種應(yīng)用場景。

目前對(duì)于空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，對(duì)多智能體協(xié)同不確定行為規(guī)劃、多層次機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)型決策、多智能體協(xié)同無環(huán)境地圖自主導(dǎo)航以及多智能體分層協(xié)同分布式控制等關(guān)鍵技術(shù)需要開展更加深入研究；此外，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步考慮具體的空間環(huán)境影響。

空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)空間操控裝置(機(jī)械臂)針對(duì)指定任務(wù)的設(shè)計(jì)模式，參考模塊化自重構(gòu)機(jī)器人，并針對(duì)構(gòu)型能力、功能及任務(wù)適應(yīng)性進(jìn)行了改進(jìn)，提出了系統(tǒng)多層次設(shè)計(jì)以及面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)設(shè)計(jì)理念，其多任務(wù)適應(yīng)性及可更換的模塊化設(shè)計(jì)能夠顯著降低發(fā)射和在軌維護(hù)成本。此外，空間細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)涉及多種領(lǐng)域前沿關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)空間細(xì)胞機(jī)器人的研究能夠促進(jìn)各學(xué)科交叉與發(fā)展?？臻g細(xì)胞機(jī)器人系統(tǒng)采用模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，能夠在一定程度上推進(jìn)航天領(lǐng)域通用化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展。