孟光，韓亮亮，張崇峰

1. 中國航天科技集團(tuán)有限公司 空間結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 201109 2. 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109 3. 上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240

空間機(jī)器人，作為一種典型的智能操作系統(tǒng)，其應(yīng)用正逐漸改變航天運(yùn)輸、在軌建造、在軌維護(hù)、星球探測(cè)的傳統(tǒng)模式，是未來無人、載人航天任務(wù)的重要使能手段之一[1-2]。在載人航天探索活動(dòng)中，空間機(jī)器人擔(dān)任了載人前的探路者、載人活動(dòng)中的助手、載人活動(dòng)后的維護(hù)者的角色；在無人航天科學(xué)探索活動(dòng)中，機(jī)器人更是有效擴(kuò)展了人類的活動(dòng)和操控范圍。

按照應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)特點(diǎn)劃分，空間機(jī)器人主要可劃分為軌道空間機(jī)器人及星表機(jī)器人兩大類型。軌道空間機(jī)器人應(yīng)用方面，在空間站應(yīng)用領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)多類機(jī)器人的工程應(yīng)用及技術(shù)驗(yàn)證，在軌服務(wù)領(lǐng)域各國也完成了若干類技術(shù)驗(yàn)證。星表機(jī)器人應(yīng)用方面，以星表巡視器為代表的機(jī)器人系統(tǒng)已成為月球、火星表面科學(xué)探測(cè)最直接有效的手段之一。通過已完成的在軌應(yīng)用及驗(yàn)證，空間機(jī)器人在機(jī)構(gòu)構(gòu)型、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行器、感知認(rèn)知、行走移動(dòng)、動(dòng)力學(xué)與控制、人機(jī)交互與遙操作方面已取得大量實(shí)用的研制成果。隨著人類在空間探索領(lǐng)域的不斷深入，在軌抓捕、在軌服務(wù)與維修、在軌組裝及星球探測(cè)等空間操控任務(wù)的復(fù)雜化及新型在軌任務(wù)需求的出現(xiàn)，對(duì)空間機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。

本文綜述了國內(nèi)外軌道空間機(jī)器人、星表機(jī)器人的應(yīng)用進(jìn)展，探討了空間機(jī)器人的技術(shù)難點(diǎn)與研究進(jìn)展，展望了空間機(jī)器人未來的應(yīng)用前景。

1 軌道空間機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀

自20世紀(jì)70年代空間機(jī)器人概念提出、20世紀(jì)90年代空間機(jī)器人的首次在軌驗(yàn)證起，針對(duì)空間機(jī)器人技術(shù)的驗(yàn)證或航天器任務(wù)的需求，至今已開展了數(shù)以百計(jì)的空間機(jī)器人系統(tǒng)的樣機(jī)研制或概念設(shè)計(jì)，其中有公開報(bào)道的14類(見表1)空間機(jī)器人系統(tǒng)完成了在軌運(yùn)行任務(wù)或經(jīng)歷了飛行驗(yàn)證。今后幾年內(nèi)，將有更多更新的空間機(jī)器人系統(tǒng)計(jì)劃開展航天任務(wù)或演示驗(yàn)證。

表1 軌道空間機(jī)器人在軌任務(wù)匯總Table 1 Summary of on-orbit tasks of orbital space robots

1.1 國際空間站艙外工作機(jī)器人系統(tǒng)

國際空間站是目前空間機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用較多、較成功的領(lǐng)域，艙外配備了加拿大機(jī)械臂、日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂、靈巧機(jī)械手等，艙內(nèi)開展了機(jī)器人宇航員等機(jī)器人驗(yàn)證，形成了大中小多規(guī)格、艙內(nèi)外全范圍、工程應(yīng)用與技術(shù)驗(yàn)證并重的立體化配置格局[3]。

航天飛機(jī)遙操作機(jī)械臂(Shuttle Remote Manipulator System,SRMS)是世界上第一個(gè)實(shí)用的空間機(jī)械臂，由加拿大MDA公司研制，因此也被稱為加拿大機(jī)械臂I(Canadarm)[4]。SRMS在1981年STS-2任務(wù)中首次被使用，1990—2002年間實(shí)現(xiàn)了哈勃望遠(yuǎn)鏡的多次在軌維修，1998年實(shí)現(xiàn)了在國際空間站美國“團(tuán)結(jié)號(hào)”節(jié)點(diǎn)艙與俄羅斯“曙光號(hào)”首次組裝任務(wù)(見圖1[4])。SRMS主要用于物資搬運(yùn)、輔助航天員出艙活動(dòng)和航天飛機(jī)在軌檢測(cè)等任務(wù)，其構(gòu)型為6自由度2-1-3共線式布局，展開長度15.2 m，在軌操作載荷2 6600 kg，主要傳感器為CCTV相機(jī)，通過地面遙操作進(jìn)行控制[5]。

圖1 航天飛機(jī)遙操作機(jī)械臂及其首次空間站在軌組裝任務(wù)圖[4]Fig.1 SRMS and its first space station assembly mission[4]

國際空間站移動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)(Mobile Servicing System,MSS)是國際空間站上最復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)[6]，由移動(dòng)基座系統(tǒng)(Mobile remote servicer Base System,MBS)、空間站遙控機(jī)械臂(Space Station Remote Manipulator System,SSRMS)、末端靈巧機(jī)械手(Special Purpose Dexterous Manipulator,SPDM)及移動(dòng)傳輸器(Mobile Transporter,MT)4個(gè)部分組成(見圖2)[7]。MSS的主要任務(wù)是輔助空間站在軌組裝、大型負(fù)載搬運(yùn)、ORU更換、航天員艙外活動(dòng)輔助、空間站輔助維修等[8]。

圖2 MMS組成示意圖[7]Fig.2 Composition diagram of MMS[7]

SSRMS機(jī)械臂于2001年由宇航員在軌安裝，7自由度3-1-3構(gòu)型形式，展開長17.6 m，末端定位精度65 mm，負(fù)載116 000 kg。SSRMS配置了4臺(tái)相機(jī)，分別安裝于肘部臂桿兩端及末端兩端。機(jī)械臂兩端均安裝鎖合末端效應(yīng)器(Latching End Effector,LEE)，具備“尺蠖”式的跨步移動(dòng)能力，可覆蓋較大的工作范圍。

靈巧機(jī)械手SPDM于2008年發(fā)射進(jìn)入國際空間站[9]，包含一個(gè)軀干和兩個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂7自由度，展開長度約3 m，末端定位精度可達(dá)到13 mm；末端安裝載荷更換工具OTCM(ORU Changeout Mechanism)，可配備多種不同類型的操作工具，具備開展一些精細(xì)操作的能力[10]。2011年，NASA和加拿大航天局利用SPDM合作開展了機(jī)器人燃料加注演示任務(wù)(Robotic Refueling Mission,RRM)[11]，實(shí)驗(yàn)中靈巧機(jī)械臂SPDM利用特制的RRM工具，演示全套的衛(wèi)星維修和燃料加注任務(wù)(見圖3)。

圖3 機(jī)器人在軌加注任務(wù)[11]Fig.3 Robotic refueling mission[11]

日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂JEMRMS(JEM Remote Manipulator System)是安裝于國際空間站日本實(shí)驗(yàn)艙的機(jī)器人系統(tǒng)[12]，于2009年隨JEM在軌組裝完成。JEMRMS由主臂(Main Arm,MA)、小型靈巧臂(Small Fine Arm,SFA)和控制站組成(見圖4)[13]。主臂MA展開長度10 m，6自由度，臂桿采用碳纖維加強(qiáng)材料，肘部及腕部配置視覺相機(jī)，末端效應(yīng)器可抓取國際空間站通用抓取接口PDGF，末端定位精度50 mm，其末端工具上配置了力/力矩傳感器可用于柔順操作，主要功能為物資搬運(yùn)和ORU更換。小型靈巧臂SFA展開長度2 m，6自由度，末端定位精度10 mm，相對(duì)與主臂MA可執(zhí)行更靈巧的操作，主要功能為艙外暴露載荷照料。小臂工作時(shí)由主臂MA抓取接收能源和數(shù)據(jù)，并形成串聯(lián)宏微機(jī)械臂協(xié)同工作[14]。

圖4 日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂的主臂及小型靈巧臂[13]Fig.4 MA and SFA of JEMRMS[13]

1.2 國際空間站艙內(nèi)工作機(jī)器人系統(tǒng)

作為大型、載人的航天器，空間站為空間機(jī)器人演示驗(yàn)證提供了得天獨(dú)厚的先天條件，目前包括Robonaut 2、KIROBO、Skybot F-850相繼進(jìn)入國際空間站開展了技術(shù)驗(yàn)證。

ROKVISS項(xiàng)目于2004年在國際空間站ISS上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)[15]。ROKVISS項(xiàng)目包括兩個(gè)關(guān)節(jié)、立體相機(jī)、控制器等(見圖5)。ROKVISS項(xiàng)目主要驗(yàn)證了DLR高集成度、模塊化、輕量化關(guān)節(jié)，演示驗(yàn)證了自動(dòng)控制、力反饋遙操作等不同控制模式。

圖5 ROKVISS驗(yàn)證平臺(tái)組成[15]Fig.5 Components of ROKVISS experimental platform[15]

2011年NASA與通用公司GM聯(lián)合研制的第二代機(jī)器人宇航員R2(Robonaut2)進(jìn)入國際空間站[16]，主要開展了任務(wù)面板上操作驗(yàn)證(見圖6)。R2在形體上具有頭部、頸部、軀干、雙臂、多指靈巧手等人類特征，全身共42個(gè)自由度，其中包括3自由度頸部、2個(gè)7自由度的手臂、2個(gè)12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，可達(dá)到類人的工作能力；集成了視覺相機(jī)、紅外相機(jī)、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約300多個(gè)傳感器，是典型多傳感器集成的復(fù)雜系統(tǒng)。R2在2014年配置了雙腿，腿的末端配置扶手抓取工具(見圖7)，使之具備出艙服務(wù)移動(dòng)能力[17]。

圖6 機(jī)器人宇航員R2在國際空間站[16]Fig.6 Robonaut2 in ISS[16]

圖7 升級(jí)爬行雙腿的機(jī)器人宇航員R2 [17]Fig.7 Robonaut2 upgraded by addition of two climbing legs [17]

2013年8月，日本“鸛”號(hào)貨運(yùn)飛船搭載發(fā)射了小型機(jī)器人宇航員“KIROBO”(見圖8)，其身高約34 cm，重約1 kg，可以與人進(jìn)行交流并且具有肢體語言，其主要任務(wù)為與國際空間站日本宇航員對(duì)話，消除宇航員在軌寂寞感[18]。

圖8 小型機(jī)器人宇航員“KIROBO”[18]Fig.8 Small robot astronaut KIROBO[18]

2019年8月，俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船搭載發(fā)射人形機(jī)器人Skybot F-850至國際空間站[19]，它是FEDOR研究計(jì)劃的成果。Skybot F-850是具備四肢即雙臂雙腿的空間仿人機(jī)器人(見圖9)，具備模仿航天員作業(yè)的能力。在國際空間站約半月的測(cè)試中，F(xiàn)-850測(cè)試了開啟艙門、傳遞工具、模擬艙外活動(dòng)等試驗(yàn)。

圖9 Skybot F-850在國際空間站[19]Fig.9 Skybot F-850 in ISS[19]

1.3 中國空間站機(jī)器人系統(tǒng)

中國非常重視空間機(jī)器人系統(tǒng)的研制，在載人航天空間站規(guī)劃了大型、中型兩套空間機(jī)械臂系統(tǒng)，也利用載人飛行器開展了空間機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的在軌驗(yàn)證。

2016年，天宮二號(hào)機(jī)械臂系統(tǒng)隨“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射入軌，天宮二號(hào)機(jī)械臂系統(tǒng)包括6自由度輕型機(jī)械臂和五指仿人靈巧手組成的仿人型機(jī)械臂本體、在軌遙操作人機(jī)接口、全局立體視覺模塊等。在軌測(cè)試中，航天員與機(jī)械臂系統(tǒng)協(xié)同開展了動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)、抓漂浮物體、與航天員握手、在軌維修等試驗(yàn)(見圖10)。在軌維修驗(yàn)證試驗(yàn)包括拆卸電連接器、撕開多層防護(hù)、旋擰電連接器、使用電動(dòng)工具擰松螺釘以及在軌遙操作等[20]。

圖10 航天員控制天宮二號(hào)機(jī)械臂[20]Fig.10 Astronauts controlling TG-2 robotic manipulator[20]

中國載人航天空間站在建造階段將配備核心艙、實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂兩套機(jī)器人系統(tǒng)(見圖11)。核心艙機(jī)械臂主要用來完成空間站艙段轉(zhuǎn)位與輔助對(duì)接、懸停飛行器捕獲與輔助對(duì)接、支持航天員EVA等，擬于2020年發(fā)射[21]；實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂主要用以暴露載荷照料、光學(xué)平臺(tái)照料、載荷搬運(yùn)、支持航天員EVA等活動(dòng)，擬于2022年發(fā)射[22]。核心艙機(jī)械臂和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂展開長度分別約為10 m和5 m，最大在軌載荷分別為25 000 kg和3 000 kg，均具有7個(gè)自由度，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案。肩部和腕部設(shè)置兩個(gè)末端執(zhí)行器，可實(shí)現(xiàn)“爬行”功能。兩個(gè)機(jī)械臂可獨(dú)立工作，也可以協(xié)同工作，也可串聯(lián)組成組合臂共同完成空間站的維修維護(hù)任務(wù)。

圖11 中國空間站的核心艙[21]和實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂系統(tǒng)[22]Fig.11 Core module manipulator[21] and experimental module manipulator[22] for Chinese Space Station

1.4 在軌自由飛行空間機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)展

衛(wèi)星及飛行器的在軌服務(wù)與維護(hù)是空間機(jī)器人后續(xù)應(yīng)用的重點(diǎn)方向，目前雖尚未形成大規(guī)模成熟應(yīng)用，但已開展了大量的在軌試驗(yàn)驗(yàn)證。該類機(jī)器人多屬于自由飛行機(jī)器人的范疇。

ROTEX項(xiàng)目于1993年在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行演示[23]。ROTEX機(jī)械臂6自由度，展開長度約1 m(見圖12)，其手爪配置了六維力、觸覺陣列、激光雷達(dá)、雙目相機(jī)等傳感器，執(zhí)行了桁架裝配、拔插電連接器、抓取浮動(dòng)目標(biāo)等試驗(yàn)任務(wù)[24]。驗(yàn)證了宇航員在軌遙操作、地面遙操作、基于傳感器的離線程序等操作模式。

圖12 ROTEX在軌及地面實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)[23]Fig.12 ROTEX set-up in spacelab and in laboratory[23]

如圖13所示，機(jī)械臂飛行演示驗(yàn)證系統(tǒng)MFD(Manipulator Flight Demonstration)在1997年于“發(fā)現(xiàn)號(hào)”航天飛機(jī)上成功進(jìn)行了演示試驗(yàn)[25]。MFD機(jī)械臂6自由度、展開長度1.5 m，是日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂JEMRMS上SFA的復(fù)制品。MFD主要作用是驗(yàn)證SFA性能，包括評(píng)估空間機(jī)械臂性能、評(píng)估空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)人機(jī)接口的性能、ORU安裝與卸載、門的開關(guān)、地面遙操作演示試驗(yàn)等。

圖13 MFD開展ORU安裝與卸載試驗(yàn)[25]Fig.13 ORU detachment/attachment experiment by MFD[25]

日本工程實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星ETS-VII(Engineering Test Satellite)的機(jī)器人系統(tǒng)具有里程碑意義[26]，于1997年發(fā)射，它是第一個(gè)艙外自由飛行空間機(jī)器人(見圖14)，具有地面遙操作和在軌自主控制的能力。ETS-VII的跟蹤星上裝有兩套機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，一套是NASDA研制的長2 m、6DOF的機(jī)械臂，裝有單自由度末端效應(yīng)器，用于對(duì)具有標(biāo)準(zhǔn)捕獲接口的ORU等的操作[27]；另一套是MITI研制的由5DOF的機(jī)械臂和三指多傳感器末端效應(yīng)器組成的先進(jìn)機(jī)械手(Advanced Robot Hand,ARH)，總長為0.7 m。ETS-VII任務(wù)完成了機(jī)械臂漂浮物體抓取、ORU更換和燃料補(bǔ)給、視覺監(jiān)測(cè)、目標(biāo)星操作與捕獲等實(shí)驗(yàn)[28]。

圖14 日本ETS-VII機(jī)械臂試驗(yàn)載荷[26]Fig.14 Japanese ETS-VII payload for robot experiments[26]

軌道快車計(jì)劃(Orbital Express)是由DARPA組織的在軌服務(wù)體系演示計(jì)劃，于2007年實(shí)施(見圖15)。軌道快車機(jī)械臂系統(tǒng)由加拿大MDA公司提供，展開長度3 m，6自由度，末端配置“捕鼠夾”式末端效應(yīng)器，可夾持捕獲探頭適配器PFA[29]。軌道快車項(xiàng)目在軌驗(yàn)證了自主組件交換、燃料補(bǔ)給、自主交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

圖15 軌道快車機(jī)械臂系統(tǒng)地面及在軌系統(tǒng)組成[29]Fig.15 Orbital express demonstration manipulator system ground and flight segment architecture[29]

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制了“遨龍一號(hào)”機(jī)械臂[30]，于2016年6月隨“遨龍一號(hào)”飛行器完成空間飛行演示試驗(yàn)?？臻g機(jī)械臂具有6個(gè)自由度(見圖16)，開展了空間碎片主動(dòng)清除、非合作目標(biāo)探測(cè)與抓捕實(shí)驗(yàn)。

圖16 “遨龍一號(hào)”空間機(jī)械臂地面樣機(jī)[30]Fig.16 Prototype of AOLONG I space manipulator[30]

2 星表空間機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

星表機(jī)器人目前并沒有明確的定義，一般著陸于外星球表面可以自主或遙控開展移動(dòng)、操作、科學(xué)作業(yè)的探測(cè)器都可劃分在星表機(jī)器人的范疇。本文討論的星表機(jī)器人主要限定在可在星表移動(dòng)、操作作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)，如星表巡視探測(cè)器、著陸器的機(jī)械臂系統(tǒng)。目前成功著陸于月球及火星，成功開展巡視移動(dòng)或機(jī)械臂操作作業(yè)的星表機(jī)器人如表2所示。

表2 星表空間機(jī)器人在軌任務(wù)匯總Table 2 Summary of on-orbit tasks of planetary robots

2.1 月面機(jī)器人

1970年，前蘇聯(lián)發(fā)射Luna 17探測(cè)器，其主要有效載荷為月球車1號(hào)Lunokhod 1(見圖17)。Lunokhod 1是歷史上第一輛月球車，其主要任務(wù)為月面移動(dòng)勘察和月面精細(xì)探測(cè)，重756 kg，長2.94 m、寬1.96 m，8輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。月球車工作11個(gè)地球日，共行走10.54 km，實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度為0.14 km/h，可登上30°斜坡，越過0.4 m高的障礙物和0.6 m的溝壑[31]。

圖17 月球車1號(hào)[31]Fig.17 Lunokhod 1[31]

美國NASA的阿波羅月球車Lunar Rover Vehicle(見圖18)，分別搭載在Apollo15(LRV-1)、Apollo16(LRV-2)和Apollo17(LRV-3)上，也是唯一由宇航員駕駛的月球車。LRV車長為3.1 m、輪距為1.83 m，車輪直徑0.82 m，具備2名宇航員的承載能力。LRV發(fā)射時(shí)處于折疊狀態(tài)，到月球表面后由宇航員手動(dòng)安裝展開。移動(dòng)系統(tǒng)全輪驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立轉(zhuǎn)向，移動(dòng)底盤采用四套扭桿式懸架系統(tǒng)，多個(gè)獨(dú)立懸架通過扭桿彈簧和載荷平臺(tái)固連[32]。

圖18 阿波羅月球車[32]Fig.18 Lunar rover vehicle in Apollo Program [32]

2013年12月，中國嫦娥三號(hào)巡視器“玉兔號(hào)”成功落月并完成月面巡視探測(cè)任務(wù)。2019年1月，嫦娥四號(hào)巡視器“玉兔二號(hào)”成功落月并實(shí)現(xiàn)月背原位探測(cè)和巡視勘察任務(wù)(見圖19)。月面巡視器包括移動(dòng)、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制、綜合電子、電源、熱控、測(cè)控?cái)?shù)傳和有效載荷共8個(gè)分系統(tǒng)，設(shè)計(jì)質(zhì)量140 kg。移動(dòng)分系統(tǒng)采用主副搖臂懸架方案，由車輪、搖臂和差動(dòng)裝置等組成，6個(gè)車輪采用獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方式，并利用4個(gè)角輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，具備在月面前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、爬坡和越障能力[33]。移動(dòng)系統(tǒng)最大運(yùn)動(dòng)速度200 m/h、爬坡角度30°、越障高度200 mm。“玉兔號(hào)”月面巡視探測(cè)器配置了3自由度機(jī)械臂。配置了全景相機(jī)、測(cè)月雷達(dá)、紅外成像光譜儀、粒子激發(fā)X射線譜儀等科學(xué)載荷[34]。

圖19 嫦娥三號(hào)及嫦娥四號(hào)月面巡視器[33]Fig.19 CE-3 and CE-4 lunar rovers[33]

2.2 火星機(jī)器人

索杰納(Sojourner)是“火星探路者”攜帶的火星巡視器，于1997年7月著陸在火星表面(見圖20)。索杰納在“火星探路者”附近100 m的范圍內(nèi)進(jìn)行了科學(xué)實(shí)驗(yàn)[35]。索杰納重10.5 kg，體積為660 mm×480 mm×300 mm，采用6輪搖桿懸吊式結(jié)構(gòu)，輪子直徑130 mm、輪寬60 mm，設(shè)計(jì)速度最大10 mm/s。角上的4個(gè)輪子有獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)和控制能力力。索杰納工作50個(gè)火星日，搜集了火星表面環(huán)境、巖石、地貌結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，完成了輪壤作用、導(dǎo)航試驗(yàn)及巡視器工程性能的驗(yàn)證。

圖20 “索杰納”火星巡視探測(cè)器[35]Fig.20 Sojourner Mars exploration rover[35]

“勇氣號(hào)”(MER-A)與“機(jī)遇號(hào)”(MER-B)為一對(duì)孿生探測(cè)器，于2003年發(fā)射，2004年到達(dá)火星，科學(xué)目標(biāo)和探測(cè)器結(jié)構(gòu)相似(見圖21)。機(jī)遇號(hào)/勇氣號(hào)高1.5 m、寬2.3 m、長1.6 m，其質(zhì)量為180.1 kg。機(jī)遇號(hào)/勇氣號(hào)繼承了索杰納六輪搖臂式結(jié)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)新增了可折疊的功能，使懸架能夠收回到四面體著陸器中。MER在堅(jiān)硬平直表面上的最大速度50 mm/s，實(shí)際運(yùn)行速度10 mm/s。MER配置5自由度機(jī)械臂，其主要作用是部署各種設(shè)備儀器，并且安放在火星表面[36]。

圖21 “勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星巡視探測(cè)器[36]Fig.21 Mars exploration rovers Spirit and Opportunity[36]

“好奇號(hào)”是NASA火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory,MSL)的巡視探測(cè)器(見圖22[42])，于2011年11月發(fā)射，2012年到達(dá)火星表面。“好奇號(hào)”巡視器結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)很大程度上繼承了“勇氣號(hào)”“機(jī)遇號(hào)”，但尺寸增大，質(zhì)量890 kg，極大提高了科學(xué)載荷攜帶能力[37]。MSL配置了樣本獲取、樣本處理和傳遞系統(tǒng)(SA/SPaH)[38]，具有強(qiáng)大的采樣和樣本在線處理能力，由5自由度機(jī)械臂[39]、轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)上的工具和科學(xué)儀器組成，可完成樣本檢測(cè)、取樣、樣本加工和樣本傳遞等動(dòng)作[40-41]。能源方面MSL巡視器采用核電池供電，取消了MERs車身上的太陽能陣列板[42]。

圖22 MSL火星巡視探測(cè)器系統(tǒng)[42]Fig.22 MSL Mars exploration rover system[42]

上述星表巡視器主要以移動(dòng)作業(yè)為主，部分巡視器配置了機(jī)械臂。機(jī)械臂是在星表開展近距離操作最直接的手段之一，一些成功著陸于星表的著陸器也配置了機(jī)械臂，用于開展表面采樣、載荷釋放、移動(dòng)載荷就位探測(cè)等任務(wù)。2008年P(guān)hoenix“鳳凰號(hào)”火星著陸器在火星著陸(見圖23[43])；其上的機(jī)械臂4自由度，展開長度2.4 m，可在-90～-20 ℃的火星白晝工作，末端集成了挖掘鏟、熱量及逸出氣體分析儀TEGA、電化學(xué)和電導(dǎo)率分析儀MECA[44]。2018年，“洞察號(hào)”InSight火星著陸器順利著陸，其機(jī)械臂基本繼承了“鳳凰號(hào)”的方案(見圖24[45])；“洞察號(hào)”用于火星內(nèi)部探測(cè)活動(dòng)的兩個(gè)重要科學(xué)載荷火星地震儀SEIS及熱流與物理性質(zhì)探測(cè)包HP3，均由機(jī)械臂釋放布置于火星表面[46]。

圖23 “鳳凰號(hào)”著陸器及其機(jī)械臂[43]Fig.23 Phoenix lander and its robotic arm[43]

圖24 “洞察號(hào)”火星著陸器概念圖[45]Fig.24 Concept of InSight Mars lander[45]

3 空間機(jī)器人技術(shù)難點(diǎn)與研究進(jìn)展

空間機(jī)器人是多學(xué)科交叉融合的典型應(yīng)用對(duì)象，涉及系統(tǒng)構(gòu)型、操作機(jī)構(gòu)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器件、感知測(cè)量、導(dǎo)航控制、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)與控制、遙操作與人機(jī)交互、自主智能、地面試驗(yàn)驗(yàn)證等多方面的共性關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)具體的空間機(jī)器人及其不同的應(yīng)用任務(wù)，其涉及的技術(shù)難點(diǎn)也各不相同；隨著后續(xù)需求和任務(wù)的復(fù)雜化，空間機(jī)器人也在現(xiàn)有基礎(chǔ)上提出了新的技術(shù)增量需求。本文主要介紹機(jī)構(gòu)構(gòu)型、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、抓取操作、行走移動(dòng)、感知認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)與控制方面的難點(diǎn)及研究進(jìn)展。

3.1 空間機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型

機(jī)構(gòu)是空間機(jī)器人的核心組成部分，其提供了滿足空間機(jī)器人系統(tǒng)任務(wù)功能要求的基本結(jié)構(gòu)。從空間機(jī)器人發(fā)展的歷史而言，早期成熟應(yīng)用的加拿大II臂SSRMS、日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂JEMRMS等可看作單機(jī)械臂形式的機(jī)構(gòu)構(gòu)型，其特點(diǎn)是：機(jī)構(gòu)構(gòu)型采用單臂多關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)，5～7自由度，由關(guān)節(jié)、臂桿、末端效應(yīng)器等組成；在單臂機(jī)器人的應(yīng)用基礎(chǔ)上，各國又發(fā)展了雙臂機(jī)器人，如靈巧機(jī)械手SPDM、機(jī)器人宇航員Robonaut，其特點(diǎn)是：機(jī)器人系統(tǒng)由兩條或以上機(jī)械臂組成，部分在軀干部分也設(shè)置自由度，構(gòu)成擬人雙臂的特征，各個(gè)單臂一般采用7自由度冗余度機(jī)械臂具有更強(qiáng)的避障能力，雙臂可并行操作或協(xié)調(diào)工作，特別是雙臂機(jī)器人可完成類人的操作。目前在空間應(yīng)用或驗(yàn)證的機(jī)器人系統(tǒng)中，最復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)為機(jī)器人宇航員Robonaut2，具備頭部、頸部、腰部、雙臂、靈巧手等人類特征，全身共42個(gè)自由度，可達(dá)到類似宇航員的工作能力。針對(duì)后續(xù)空間機(jī)器人任務(wù)及功能需求，空間機(jī)器人在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：① 進(jìn)一步增強(qiáng)空間機(jī)器人操作的靈巧性和精度，具備開展精細(xì)化操作的能力；② 進(jìn)一步增加對(duì)大型航天器廣域工作空間的操作覆蓋能力，進(jìn)一步增加對(duì)狹小空間的操作可達(dá)能力；③ 針對(duì)復(fù)雜多變、操作尺度不一的任務(wù)及多樣化的環(huán)境，機(jī)器人具備可靈活、可靠、自主地達(dá)到期望構(gòu)型的能力和方法。

在針對(duì)后續(xù)非合作目標(biāo)操控、復(fù)雜維修操作的規(guī)劃任務(wù)中，如Eurobot[47]、SUMO計(jì)劃[48]、FREND計(jì)劃[49]、鳳凰計(jì)劃、RSGS計(jì)劃[50]等，飛行器都配置了兩條或兩條以上的機(jī)械臂，用以滿足非合作目標(biāo)抓捕、精細(xì)維修操作的任務(wù)需求，可認(rèn)為多臂、多支鏈構(gòu)型是復(fù)雜空間機(jī)器人構(gòu)型的發(fā)展方向之一，多臂構(gòu)型相較于單臂構(gòu)型具有更強(qiáng)的柔性、魯棒性和并行性。

未來在軌維修中有大量在多障礙物復(fù)雜環(huán)境、狹小空間內(nèi)搬運(yùn)、維修、觀測(cè)的要求，具備大細(xì)化比、強(qiáng)避障能力的超冗余機(jī)械臂也是空間機(jī)器人的重要發(fā)展方向。DARPA的“鳳凰計(jì)劃”中，機(jī)器人系統(tǒng)包含若干條機(jī)械臂，其中有一條為超冗余機(jī)械臂，用于開展照明和觀測(cè)任務(wù)。1995年美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室JPL研制了12自由度蛇型機(jī)器人[51]，直徑38.1 mm，全長876.3 mm，用于復(fù)雜狹小空間內(nèi)的檢測(cè)、裝配和維修工作。日本國家信息和通信技術(shù)研究中心(NICT)2004年提出了在軌維修系統(tǒng)(Orbital Maintenance System，OMS)[52]，計(jì)劃發(fā)展用于觀測(cè)監(jiān)視的新型模塊化超冗余機(jī)械臂。除了通過模塊化關(guān)節(jié)串聯(lián)疊加形成超冗余機(jī)械臂的方法之外，連續(xù)體的機(jī)械臂也可形成柔性超冗余機(jī)器人；天津大學(xué)耿仕能等以兼顧空間操作的安全性和操作精度的需求為出發(fā)點(diǎn)[53]，提出一種被動(dòng)適應(yīng)碰撞且能保證操作精度的可變剛度絲驅(qū)動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂，以超彈鎳鈦合金絲為支撐脊椎和驅(qū)動(dòng)部件的連續(xù)型機(jī)械臂具有優(yōu)良的本體柔性，對(duì)接觸碰撞具有較好的被動(dòng)適應(yīng)性(見圖25)。

圖25 空間機(jī)器人新型構(gòu)型Fig.25 Novel mechanisms for space robots

針對(duì)復(fù)雜多變、操作尺度不一的任務(wù)及多樣化操控的需求，可根據(jù)環(huán)境和任務(wù)改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者末端操作器的自由度的可重構(gòu)機(jī)器人，是空間機(jī)器人的可選構(gòu)型與方案之一。加拿大航天局提出了一種具有可鎖定伸縮運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的可重構(gòu)空間機(jī)器人概念[54]，其可允許機(jī)器人通過桿件長度的重構(gòu)，從而使機(jī)器人根據(jù)任務(wù)具有可變的工作空間。北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部王康等也提出了一種基于伸縮機(jī)構(gòu)的空間機(jī)械臂系統(tǒng)方案[55]，可同時(shí)具備發(fā)射包絡(luò)小、捕獲轉(zhuǎn)移范圍大、近距離精細(xì)化操作的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的固定桿長的機(jī)械臂相比，更好地滿足在軌服務(wù)的不同需求。馬里蘭大學(xué)空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)空間在軌裝配、檢查及服務(wù)的需求，提出了輕質(zhì)模塊化自重構(gòu)機(jī)器人MORPHbots概念[56]，其利用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)節(jié)模塊及機(jī)器人自身驅(qū)動(dòng)的雌雄同體連接接口可實(shí)現(xiàn)多種構(gòu)型的在軌構(gòu)造。Yim等提出了一種用于在軌裝配可重構(gòu)機(jī)器人的設(shè)想[57]，每個(gè)機(jī)器人通過功能模塊重構(gòu)獲得，可根據(jù)任務(wù)構(gòu)建不周構(gòu)型的單支鏈構(gòu)型機(jī)器人，多個(gè)單支鏈構(gòu)型機(jī)器人通過并聯(lián)又可形成多支鏈機(jī)器人構(gòu)型；在NASA的支持下，研制了一種新型混合式自重構(gòu)機(jī)器人SuperBot。Zhang等設(shè)計(jì)了一種自重構(gòu)空間多臂機(jī)器人系統(tǒng)[58]，并分析了三臂自由飛行、雙腿單臂、單足單臂的三種典型構(gòu)型。

此外，一些仿生構(gòu)型的機(jī)器人也被設(shè)想應(yīng)用于空間在軌服務(wù)與維護(hù)。南京航空航天大學(xué)戴振東和彭福軍針對(duì)空間站機(jī)器人應(yīng)用，提出了仿壁虎機(jī)器人概念[59]，機(jī)器人在機(jī)構(gòu)構(gòu)型上仿壁虎的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，腳掌上布置了仿壁虎腳底剛毛結(jié)構(gòu)的黏附材料結(jié)構(gòu)，地面樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了在90°墻面上的爬行。北京航空航天大學(xué)徐坤等針對(duì)空間站艙上監(jiān)測(cè)操作[60]，設(shè)計(jì)了一種腿臂融合的四足機(jī)器人，具有腿臂功能復(fù)用的分支，可實(shí)現(xiàn)行走和操作。

3.2 空間機(jī)器人關(guān)節(jié)與驅(qū)動(dòng)控制

空間機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)等驅(qū)動(dòng)器是機(jī)器人產(chǎn)生力和力矩以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的組件，是組成機(jī)器人機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)單元。對(duì)于已在軌應(yīng)用的大型空間機(jī)械臂如SRMS、SSRMS等，一般由直流無刷電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、多級(jí)行星齒輪減速箱、關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器、摩擦制動(dòng)器、關(guān)節(jié)控制器等組成，每一個(gè)關(guān)節(jié)都是一個(gè)軌道可替換單元ORU，且每一個(gè)關(guān)節(jié)都包含有兩套相同的關(guān)節(jié)電子單元和電機(jī)模塊進(jìn)行備份。對(duì)于中小型空間機(jī)械臂，如Robonaut、ROKVISS等，采用諧波減速器替代了行星減速器，增加了關(guān)節(jié)的被動(dòng)柔性，且電機(jī)和控制器一般沒有額外備份。目前機(jī)器人宇航員Robonaut腿部關(guān)節(jié)是當(dāng)前空間應(yīng)用水準(zhǔn)較高的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其功重比100 N·m/kg、速度1.2 rad/s、工作最低溫度-20 ℃。針對(duì)空間機(jī)器人后續(xù)應(yīng)用對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的需求，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：① 提高驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩感知、絕對(duì)位置感知能力；② 關(guān)節(jié)進(jìn)一步輕質(zhì)化，提高關(guān)節(jié)輸出功率密度；③ 提高驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)應(yīng)對(duì)外部力時(shí)的柔順能力。

力感知柔順輕質(zhì)關(guān)節(jié)方面具有代表性是DLR研制的一系列關(guān)節(jié)。德宇航的ROKVISS機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)的柔順性通過力傳感器的反饋進(jìn)行關(guān)節(jié)的阻抗控制，從而實(shí)現(xiàn)柔順性，關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)相同，ROKVISS的關(guān)節(jié)主要由直流無刷電機(jī)、位置傳感器、角度傳感器、諧波減速器、力矩傳感器、熱控開關(guān)等組成；其中電機(jī)是德宇航自主研制的直流無框式RobDrive電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、力矩大、質(zhì)量輕，而且具有較大的中心孔，有助于機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的走線。減速機(jī)為日本Harmonic公司定制的分體式諧波減速機(jī)，具有大減速比、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。分離式三件套的結(jié)構(gòu)方便集成軸承、角度傳感器等部件，使整個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)更緊湊、質(zhì)量輕。繼承ROKVISS關(guān)節(jié)在軌驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)，DLR研制了三代輕型機(jī)械臂(圖26)、Rollin’Justin機(jī)器人等，輕質(zhì)機(jī)械臂的技術(shù)也由KUKA公司技術(shù)轉(zhuǎn)換為商用產(chǎn)品KUKA LWR iiwa產(chǎn)品[61]。

圖26 DLR輕質(zhì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)[61]Fig.26 DLR LWR arm joint[61]

以上機(jī)電一體化的機(jī)械臂關(guān)節(jié)均采用力矩傳感器來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順控制。通過柔順控制，可以使得機(jī)械臂像人的手臂一樣執(zhí)行任務(wù)，這對(duì)安全的人機(jī)協(xié)作以及避免機(jī)械臂意外碰撞造成自身和碰撞對(duì)象的損壞具有重要意義?，F(xiàn)有空間機(jī)械臂關(guān)節(jié)利用力傳感器信息對(duì)輸出的力/位關(guān)系進(jìn)行主動(dòng)控制，模擬出關(guān)節(jié)的柔順特性。但是受限于關(guān)節(jié)控制器和力矩傳感器的帶寬，該類型柔順關(guān)節(jié)對(duì)于低頻率范圍的物理接觸能夠?qū)崿F(xiàn)低阻抗性能，但對(duì)于高頻率物理外力接觸難以達(dá)到柔順效果；提高力矩反饋元件和控制系統(tǒng)的增益雖然能夠一定程度上降低高頻率物理接觸時(shí)關(guān)節(jié)的剛度，但同時(shí)也會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。Robonaunt2機(jī)器人的關(guān)節(jié)采用柔順關(guān)節(jié)，在關(guān)節(jié)的減速器和輸出軸之間安裝彈性元件-扭簧[16]，如圖27(a)所示，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)柔順，同時(shí)減速器輸出端和關(guān)節(jié)的輸出端都安裝有位置傳感器，結(jié)合兩個(gè)位置傳感器的差分信號(hào)和已知的扭簧剛度可以計(jì)算出關(guān)節(jié)的輸出扭矩以實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)力矩控制。意大利技術(shù)研究所(IIT)Tsagarakis等研制的緊湊型SEA也具有典型性[62]，其通過多個(gè)線性彈簧組合實(shí)現(xiàn)了扭簧作用從而實(shí)現(xiàn)了彈性器件的小型化，如圖27 (b)所示。串聯(lián)型結(jié)構(gòu)空間機(jī)器人采用被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一當(dāng)機(jī)器人與外界有力接觸時(shí)，尤其是快速接觸或者機(jī)器人捕獲大慣量的目標(biāo)時(shí)，相對(duì)于靠軟件實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)柔順關(guān)節(jié)，可以更有效地緩沖接觸力的沖擊；其二當(dāng)機(jī)器人與宇航員協(xié)助完成任務(wù)時(shí)，無論在任何情況下被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)都可以提供柔順性，使宇航員更具有安全性。被動(dòng)柔順關(guān)節(jié)在處理快速力接觸和協(xié)助安全性方面更具有優(yōu)勢(shì)，是一體化關(guān)節(jié)發(fā)展的技術(shù)趨勢(shì)。德宇航已研制出基于被動(dòng)柔順的變剛度機(jī)器人一體化關(guān)節(jié)，在減速器和輸出軸之間安裝彈性元件，通過改變彈性元件的狀態(tài)可以改變關(guān)節(jié)的剛度，從而使關(guān)節(jié)具有柔順性和剛性以適應(yīng)不同的工況條件。DLR提出了基于凸輪原理的變剛度機(jī)器人柔順關(guān)節(jié)(見圖28)，采用凸輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔順關(guān)節(jié)剛度的調(diào)節(jié)[63]，德國宇航中心的最新擬人機(jī)械臂David采用了該類型的變剛度關(guān)節(jié)[64]。

圖27 彈性關(guān)節(jié)中的定制力矩彈簧Fig.27 Custom torsion springs in SEA

圖28 基于凸輪原理的變剛度關(guān)節(jié)[63]Fig.28 Variable stiffness joint based on cam mechanisms[63]

3.3 空間機(jī)器人末端抓取與操作技術(shù)

作為機(jī)器人的執(zhí)行器件，末端機(jī)械手是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)抓取、維修、裝配的基本器件，直接決定了機(jī)械臂的先進(jìn)性和智能化程度。從空間機(jī)器人末端抓取與操作的發(fā)展來看，早期的末端執(zhí)行器一般以抓取操作為主，且操作目標(biāo)是合作的目標(biāo)適配器，如加拿大機(jī)械臂II的末端效應(yīng)器LEE及目標(biāo)適配器PDGF，均為執(zhí)行確定任務(wù)、功能相對(duì)單一的專用末端效應(yīng)器，如圖29所示。隨著空間操作任務(wù)的復(fù)雜化，具有多種功能的可切換工具及多指靈巧手也開始了在軌的演示驗(yàn)證?？臻g機(jī)器人末端抓取與操作的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：① 進(jìn) 一步提升對(duì)非合作目標(biāo)的抓取能力；② 進(jìn)一步提供多功能、精細(xì)化維修維護(hù)操作；③ 進(jìn)一步提供近似人的通用化的抓取和操作能力。

加拿大機(jī)械臂II的鎖合末端效應(yīng)器LEE，以三根鋼絲繩咬合的方式實(shí)現(xiàn)柔性捕獲，由滾珠絲杠和碟簧實(shí)現(xiàn)拉緊，由鎖合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械及電氣連接，末端效應(yīng)器LEE及其操作接口目標(biāo)適配器PDGF(Power and Data Grapple Fixture)已成為目前空間站機(jī)械臂操作的標(biāo)準(zhǔn)接口[65]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出一種抱爪式機(jī)械手[66]，目標(biāo)適配器為一根手桿，當(dāng)機(jī)械手進(jìn)入捕獲范圍后，卡爪將完成卡緊動(dòng)作，將手桿壓入接納槽中實(shí)現(xiàn)鎖緊，完成抓取。日本航天局JAXA設(shè)計(jì)了一種小型機(jī)械臂用來在軌組裝望遠(yuǎn)鏡反射面[67]，其肩部和腕部各有一個(gè)末端效應(yīng)器，并有大、小兩種規(guī)格的目標(biāo)適配器；末端效應(yīng)器通過導(dǎo)向塊的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)適配器的捕獲，捕獲完成后，通過電機(jī)帶動(dòng)撐桿向左或向右運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)鎖鉤向內(nèi)或向外運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖合，電連接器的插合與鎖合同步完成；此外末端效應(yīng)器還具有力矩輸出的功能。

SPDM的OTCM組成包括平行虎口鉗、視覺系統(tǒng)、力矩套筒伸縮機(jī)構(gòu)、力矩套筒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等。OTCM主要用于載荷和工具的更換，可實(shí)現(xiàn)對(duì)H型、X型等多種接口的抓取，必要時(shí)還可進(jìn)行動(dòng)力/力矩傳遞。在SPDM執(zhí)行的RRM任務(wù)，為SPDM設(shè)計(jì)了多種專用工具[11]，分別是鎖線剪及熱毯切割工具WCT、多功能操作工具M(jìn)FT、安全螺母拆卸工具SCT以及艙外燃料加注工具ENT。4種工具中，MFT工具還可以連接4種工具接頭以完成針對(duì)不同零件的拆卸任務(wù)，分別是三級(jí)帽拆卸接頭TCA、圓形帽拆卸接頭ACA、T型閥拆卸接頭TVA和插塞操作接頭PMA。EUROBOT機(jī)器人要執(zhí)行多種不同的任務(wù)[68]，設(shè)計(jì)了可更換工具的末端執(zhí)行器，包括EVA把手工具、三指工具、適配器抓取工具等。

NASA研制的Robonaut手是一種可以用于國際空間站進(jìn)行艙外作業(yè)的裝置，先后研制了兩代靈巧手[69]；R2靈巧手是由5根手指和1個(gè)前臂構(gòu)成的一個(gè)完全自相容的單元，其中5根手指共有12個(gè)自由度，前臂提供了2個(gè)腕自由度；14個(gè)自由度驅(qū)動(dòng)需要的18個(gè)直流電動(dòng)機(jī)以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路板封裝在前臂內(nèi)。手指、拇指和手腕主要使用了3類傳感器：關(guān)節(jié)絕對(duì)位置傳感器、六維力傳感器以及腱繩張力傳感器。德國宇航中心先后研制了DLR-I手和DLR-II手[70]；DLR-II手包括4根手指，總共12個(gè)自由度，每根手指的3個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)均由無刷直流電機(jī)、諧波齒輪減速器以及基關(guān)節(jié)傘錐齒輪組成；2個(gè)自由度的基關(guān)節(jié)采用差分傘錐齒輪驅(qū)動(dòng)方式；該手配備先進(jìn)的智能傳感器系統(tǒng)，擁有指尖五維力/力矩、關(guān)節(jié)位置、溫度、類似皮膚觸覺、關(guān)節(jié)扭矩、速度等傳感器。哈爾濱工業(yè)大學(xué)(簡(jiǎn)稱“哈工大”)與德宇航合作，分別在2004年和2008年成功研制出HIT/DLR-I手[71]和HIT/DLR-II手[72]。HIT/DLR-I手使用4個(gè)相同的模塊化結(jié)構(gòu)手指，每個(gè)手指具有4個(gè)關(guān)節(jié)，3個(gè)自由度，拇指另外具備一個(gè)相對(duì)于手掌和其余4指開合的自由度，共計(jì)13個(gè)自由度；HIT/DLR-II手包含5個(gè)相同的模塊化手指，共計(jì)15個(gè)自由度，采用體積小、重量輕的盤式電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及諧波減速器+齒形皮帶的傳動(dòng)方式，重量約為1.5 kg，體積與普通人手相當(dāng)；靈巧手在天宮二號(hào)上進(jìn)行了在軌驗(yàn)證，手指集成了電機(jī)位置、關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)力矩、指尖六維力/力矩、觸覺、溫度等多種傳感器，如圖30所示。

圖29 典型的機(jī)器人末端執(zhí)行器Fig.29 Typical robotic end-effectors

圖30 典型的空間靈巧手Fig.30 Typical space robotic hands

3.4 空間機(jī)器人行走移動(dòng)技術(shù)

移動(dòng)機(jī)動(dòng)能力是空間機(jī)器人的關(guān)鍵能力之一，多種移動(dòng)形式可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)及探測(cè)區(qū)域的覆蓋和可達(dá)，如機(jī)器人在行星表面的移動(dòng)、行星內(nèi)部孔洞的移動(dòng)、大型航天器表面的移動(dòng)等，本文此處主要討論行星表面及內(nèi)部復(fù)雜地形的移動(dòng)形式，如圖31所示[73-80]。迄今為止，只有幾種形式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)成功地部署在月球及火星上，其典型形式為具備前后輪轉(zhuǎn)向能力的六輪搖臂被動(dòng)懸架機(jī)構(gòu)，可在低坡度(<25°)相對(duì)平坦的沙塵地形上移動(dòng)，移動(dòng)速度一般低于50 mm/s，可跨越車輪半徑大小的障礙物，在火星表面實(shí)現(xiàn)了12～20 m/h速度下百米級(jí)的自主導(dǎo)航移動(dòng)。針對(duì)后續(xù)深空探測(cè)及載人探測(cè)任務(wù)的需求，空間機(jī)器人在行走移動(dòng)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在：① 在極端環(huán)境條件下提供適應(yīng)能力更強(qiáng)的懸架及移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速度、長距離的星表移動(dòng)；② 提供陡坡、深坑、熔巖管道等極端地形的進(jìn)入及通過能力；③ 在有限感知、能源及計(jì)算能力的限制，星表圖像紋理不豐富、缺少前驗(yàn)信息等不利條件下，提供高可靠、高實(shí)時(shí)性、高自主性的星表導(dǎo)航能力。

圖31 新型星表移動(dòng)機(jī)構(gòu)研制進(jìn)展Fig.31 Research progress of some novel planetary mobility mechanisms

在移動(dòng)機(jī)構(gòu)方面，在當(dāng)前較經(jīng)典的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)之外，各國科研機(jī)構(gòu)開展了新型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究[74]。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的樣品返回探測(cè)器SRR提出了具有4個(gè)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪系及主動(dòng)控制的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)懸掛系統(tǒng)[81]。NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)在全地形六足地外探測(cè)器ATHLETE[73]中提出了六邊形底盤、每邊配置6自由度機(jī)械腿、末端配置車輪可移動(dòng)、配置末端工具可作業(yè)的復(fù)合式移動(dòng)作業(yè)機(jī)構(gòu)[82]。ESA月面探測(cè)車提出了可重構(gòu)的移動(dòng)作業(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，可利用6個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)輪的構(gòu)型變化可自重構(gòu)為普通輪式滾動(dòng)形態(tài)、多足爬行形態(tài)和機(jī)械臂工作形態(tài)。德宇航提出了模塊化可重構(gòu)多機(jī)器人月面探測(cè)系統(tǒng)RIMRES的概念[75]，研發(fā)了四輪混合輪腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人Sherpa和蜘蛛式六足爬行機(jī)器人CREX。德國人工智能研究中心(DFKI)設(shè)計(jì)了仿黑猩猩[76]、仿螳螂的月球探測(cè)機(jī)器人[77]，可根據(jù)不同的地形選擇兩足或四足的行走模式，既能靠四肢站穩(wěn)、行走，又能用前面兩條腿來操縱目標(biāo)。NASA以火星探測(cè)為背景開展了多面體翻滾機(jī)器人TET的研究[83]，目前實(shí)現(xiàn)12重四面體機(jī)器人的樣機(jī)研制[78]?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)CMU研制了可以攀爬陡峭斜坡的繩系步行機(jī)器人Dante II[84]，八條腿可以獨(dú)立調(diào)整垂直位置來避障及適應(yīng)崎嶇地形，通過使用系繩可以在陡峭斜坡上進(jìn)行上升和下降。Axel是一個(gè)可以通過系繩在陡峭斜坡進(jìn)行升降的雙輪繩系機(jī)器人[79]，兩個(gè)Axel可以組成DuAxel的四輪機(jī)器人。日本宇航探測(cè)中心(JAXA)曾研制過履帶式的月面移動(dòng)系統(tǒng)[80]。通過上述研究進(jìn)展可見，移動(dòng)機(jī)構(gòu)在當(dāng)前經(jīng)典多輪構(gòu)型優(yōu)化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了多形態(tài)仿生、輪-腿-臂復(fù)合式、變結(jié)構(gòu)、可重構(gòu)等新型移動(dòng)機(jī)構(gòu)，以進(jìn)一步提高移動(dòng)速度、地形適應(yīng)能力等。另外由單一機(jī)器人探測(cè)發(fā)展了多機(jī)器人聯(lián)合探測(cè)的概念，以進(jìn)一步增加作業(yè)的靈活性、提高探測(cè)效率。

在移動(dòng)自主導(dǎo)航方面，制導(dǎo)導(dǎo)航與控制(GNC)需完成行星表面移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定姿定位、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、避障和安全監(jiān)測(cè)等功能，可認(rèn)為是機(jī)器人移動(dòng)的“大腦”。Lunokhod 1&2通過地面遙控，LRV通過人控駕駛，Sojourner具有簡(jiǎn)單的障礙檢測(cè)和避障能力但無自主規(guī)劃能力，Opportunity和Spirit火星巡視器與嫦娥三號(hào)/四號(hào)巡視器具有短距離的自主導(dǎo)航能力；美國的火星巡視器Curiosity因搭載更多的傳感器的載荷，代表了星表機(jī)器人導(dǎo)航與控制的最高水平。嫦娥三號(hào)巡視器目前可實(shí)現(xiàn)避障反應(yīng)時(shí)間不大于9 s、避障反應(yīng)距離不小于0.5 m、自主路徑規(guī)劃范圍0.5～3 m的技術(shù)指標(biāo)；嫦娥三號(hào)巡視器每到達(dá)一個(gè)位置后利于導(dǎo)航相機(jī)對(duì)巡視器周圍進(jìn)行環(huán)拍，所成序列圖像傳回地面，由地面操作人員進(jìn)行圖像拼接和三維恢復(fù)[85](見圖32和圖33)，據(jù)此進(jìn)行長距離任務(wù)規(guī)劃，確定探測(cè)點(diǎn)。出于可靠性及安全因素等多方面考慮，好奇號(hào)或嫦娥三號(hào)月面巡視器大部分時(shí)間仍是由地面工作人員遙控操作；近年來，航天研究人員一直在探討探測(cè)效率高、自主能力強(qiáng)、成本低廉的可靠探測(cè)方案。

圖32 嫦娥三號(hào)巡視器拼接全景圖[85]Fig.32 Mosaic and panorama image from CE-3 lunar rover[85]

圖33 嫦娥三號(hào)DEM圖、適宜度圖和規(guī)劃路徑[85]Fig.33 DEM map, suitability map and planning path from CE-3 lunar rover[85]

在行星地貌環(huán)境自主感知方法方面，美國NASA艾姆斯研究中心Bresina等為提高索杰納號(hào)科學(xué)勘探任務(wù)的自主性[86]，建立了巡視器命令語言系統(tǒng)(Contingent Rover Language,CRL)，若巡視器在線科學(xué)勘探認(rèn)為當(dāng)前場(chǎng)景具有潛在價(jià)值，CRL會(huì)暫停原有探索任務(wù)，并在回傳指令中插入該“臨時(shí)突發(fā)項(xiàng)”供地面工作人員分析。在CRL基礎(chǔ)上，JPL的Castano等設(shè)計(jì)了在線自主科學(xué)考察系統(tǒng)(Onboard Autonomous Science Investigation System,OASIS)[87]，OASIS并不需要等待地面工作人員的指令，而是根據(jù)地貌與環(huán)境的自主分析來操控巡視器。OASIS通過利用Sober與Canny算子來檢測(cè)導(dǎo)航相機(jī)所采集圖像中的閉合輪廓，發(fā)展了巖石的快速識(shí)別技術(shù)[88]。在自主定位與地圖描繪方法方面，目前的星表巡視器一般以著陸地點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系[89]，融合車載里程計(jì)與雙目視覺測(cè)距信息解算自身全局位置；在行駛過程中，由雙目相機(jī)收集的表面圖像將回傳至地面進(jìn)行光束平差(Bundle Adjustment)解算，重構(gòu)行駛路徑與周邊地圖，并利用衛(wèi)星采集的高分辨率圖像與重構(gòu)地圖比較，進(jìn)一步修正巡視器位置。由于全局地圖需要通過地面生成，無法通過巡視器實(shí)時(shí)構(gòu)建，一定程度上也限制了巡視任務(wù)的靈活性。隨著機(jī)器人同時(shí)定位與地圖構(gòu)建(SLAM)技術(shù)的成熟，越來越多的學(xué)者們也致力于將SLAM技術(shù)應(yīng)用至火星巡視器漫游巡視任務(wù)中，如Bakambu等針對(duì)火星巡視器測(cè)試了數(shù)種SLAM算法[90]，并提出利用SLAM算法所生成的三維地貌模型設(shè)計(jì)巡視器可達(dá)域。在自主路徑規(guī)劃方法方面，美國火星巡視器建立了路徑規(guī)劃器GESTALT[91]，該系統(tǒng)兼顧路徑避障、最小轉(zhuǎn)向時(shí)間、最短行駛路徑，通過一種“投票”機(jī)制確定最優(yōu)路徑；不少學(xué)者提出采用搜索算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，文獻(xiàn)[92]基于A*算法[93]，計(jì)算包括行駛距離、垂直障礙和轉(zhuǎn)向可操縱性等路徑代價(jià)；文獻(xiàn)[94]則采用Filed D*算法，從而使得巡視器能向任意角度行駛。

3.5 空間機(jī)器人感知與認(rèn)知技術(shù)

感知和認(rèn)知是空間機(jī)器人必需的功能之一?？臻g機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在軌操作，離不開感知系統(tǒng)的支持。對(duì)于目前應(yīng)用的空間機(jī)器人，視覺相機(jī)是應(yīng)用較成熟的傳感器，用于遙操作視覺監(jiān)控、合作和非合作目標(biāo)認(rèn)知和測(cè)量[95]。遙操作監(jiān)控視覺僅作監(jiān)控使用，不作為機(jī)器人控制的直接輸入量；目前技術(shù)成熟，已在軌應(yīng)用，較典型的應(yīng)用為NASA的RRM計(jì)劃，RRM的每個(gè)工具上帶有兩個(gè)相機(jī)及照明系統(tǒng)用于為遙操作提供視頻信息。合作目標(biāo)測(cè)量在目標(biāo)航天器上安裝合作標(biāo)志器，視覺系統(tǒng)通過對(duì)合作標(biāo)志器的測(cè)量獲得機(jī)械手與操作對(duì)象間的相對(duì)位置和姿態(tài)，引導(dǎo)機(jī)械手完成要求的操作任務(wù)；目前技術(shù)也較成熟，已在軌應(yīng)用，如ETS-VII、Orbital Express、SSRMS等的空間機(jī)械臂系統(tǒng)。對(duì)于目標(biāo)模型完全已知或部分已知的非合作目標(biāo)測(cè)量，目標(biāo)航天器上不能安裝合作標(biāo)志器，但操作對(duì)象的模型完全已知或部分已知，視覺系統(tǒng)直接測(cè)量機(jī)械手的操作對(duì)象，給出機(jī)械手與操作對(duì)象間的相對(duì)位置和姿態(tài)，引導(dǎo)機(jī)器機(jī)械手完成要求的操作任務(wù)。目前仍在技術(shù)攻關(guān)中。感知和認(rèn)知的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于：① 發(fā)展新型空間機(jī)器人傳感器，提高三維感知的速度、分辨率，并有效降低傳感器的尺寸、重量及功率；② 復(fù)雜光照條件下非合作目標(biāo)、自然物體的識(shí)別與位置測(cè)量；③ 復(fù)雜操作過程中力和接觸感知；④ 多傳感器的集成及數(shù)據(jù)融合。

FREND計(jì)劃驗(yàn)證空間非合作目標(biāo)自動(dòng)抓捕的能力，其視覺測(cè)量系統(tǒng)由3個(gè)相機(jī)組成[96]，3個(gè)相機(jī)具有冗余備份功能，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)在一個(gè)相機(jī)中成像效果差時(shí)，另外兩個(gè)相機(jī)仍可構(gòu)成雙目立體視覺實(shí)現(xiàn)相對(duì)位姿測(cè)量，如果目標(biāo)在3個(gè)相機(jī)中均正常成像，則可通過信息冗余提高測(cè)量精度；FREND機(jī)械臂的測(cè)量范圍為20 cm 以內(nèi)，測(cè)量輸出頻率為5 Hz。加拿大的MDA公司在針對(duì)Envisat 衛(wèi)星救援計(jì)劃提出的對(duì)接環(huán)抓捕工具上配置了多種傳感器[97]，其上的非接觸式傳感器可以判斷圓環(huán)是否進(jìn)入抓捕包絡(luò)內(nèi)；視覺系統(tǒng)有兩組，第一組為監(jiān)視用視覺系統(tǒng)，第二組是用于自動(dòng)操作的視覺系統(tǒng)，包括兩個(gè)相機(jī)及兩個(gè)激光發(fā)射器，可以構(gòu)成兩套結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)，每個(gè)激光發(fā)射器可以發(fā)出5條點(diǎn)激光(見圖34)。Robonaut2的視覺系統(tǒng)安裝在頭部結(jié)構(gòu)里，包括四部緊湊型彩色立體攝像機(jī)[98]，其中兩個(gè)攝像機(jī)的安裝與人眼布局相似，能夠?yàn)闄C(jī)器人和操作人員提供立體視覺，另外兩個(gè)攝像機(jī)作為備用；另外嘴部安裝有紅外TOF相機(jī)，提供景深感知，與雙目視覺形成冗余，根據(jù)不同場(chǎng)景應(yīng)用的需要，互為補(bǔ)充，提高測(cè)量速度和精度(見圖35)。

圖34 MDA對(duì)接抓捕工具上的傳感器系統(tǒng)[97]Fig.34 Sensor system of MDA capture tool[97]

圖35 Robonaut2 頭部傳感器系統(tǒng)[98]Fig.35 Robonaut2 head sensor system[98]

力和觸覺的感知是空間機(jī)器人接觸控制的必需輸入，包括行星表面移動(dòng)與機(jī)器人抓取操作的場(chǎng)合。目前應(yīng)用較廣泛的是機(jī)械臂腕部的多軸力/力矩傳感器及關(guān)節(jié)內(nèi)的單軸力傳感器，如MSL“好奇號(hào)”機(jī)械臂的三軸力傳感器，SS-RMS、Robonaut2的六維力傳感器(見圖36)，多軸力傳感器目前應(yīng)用面臨的主要問題是如何提高在空間真空環(huán)境中的可靠性和長壽命的問題。另外，測(cè)量抓取過程的接觸力是目前空間力感知的一個(gè)重要方向，在靈巧手、抓取工具等機(jī)器人末端執(zhí)行器中配置微型力傳感器或觸覺陣列可有效提高抓取的可靠性，或通過多點(diǎn)力的測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)剛度、幾何特征的測(cè)量，目前在軌應(yīng)用的主要有ROTEX手爪觸覺陣列及Robonaut2五指靈巧手手指指面配置的微型六維力傳感器[69]。目前在空間力感知方向，還有提出利用仿生觸須傳感器實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的識(shí)別與避障[99]，尤其是在空間非合作目標(biāo)的參數(shù)辨識(shí)與消旋方面。

圖36 R2手指的微型六軸力傳感器樣機(jī)[69]Fig.36 Prototype of 6-axis load cell sensor mounted in R2 robot fingertip[69]

3.6 空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)

空間機(jī)器人屬于典型的多體系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力學(xué)建模常用的也是多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的方法。在空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模方法方面，空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性有別于地面固定基座機(jī)器人，突出表現(xiàn)為強(qiáng)非線性、動(dòng)力學(xué)耦合、非完整性等，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行了大量研究，成果可主要?dú)w結(jié)為經(jīng)典力學(xué)方法、凱恩方法和遞推計(jì)算動(dòng)力學(xué)方法?？臻g機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出、高度非線性、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，存在著參數(shù)攝動(dòng)、未建模動(dòng)態(tài)與外界干擾等不確定性，因此其控制問題也相當(dāng)復(fù)雜。針對(duì)空間機(jī)器人后續(xù)應(yīng)用的需求，空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)、仿真與控制面對(duì)的主要挑戰(zhàn)在于：① 多應(yīng)用場(chǎng)景下復(fù)雜異構(gòu)、同構(gòu)多機(jī)器人集成系統(tǒng)的建模；② 航天員與機(jī)器人在同一現(xiàn)場(chǎng)的高安全性人-機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，機(jī)器人與操作目標(biāo)、操作環(huán)境及航天員接觸的動(dòng)力學(xué)與控制；③ 漂浮基座空間機(jī)器人對(duì)非合作目標(biāo)抓捕的動(dòng)力學(xué)控制。

在多應(yīng)用場(chǎng)景下復(fù)雜異構(gòu)、同構(gòu)多機(jī)器人集成系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與控制中，目前研究的對(duì)象還主要集中在雙臂、多臂類多支鏈機(jī)器人，尤其在多臂協(xié)同搬運(yùn)、操作等緊協(xié)調(diào)的應(yīng)用場(chǎng)景。北京航空航天大學(xué)丁希侖系統(tǒng)總結(jié)了擬人雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃、協(xié)調(diào)控制方法[100]，提出了基于主從式雙臂的力/位混合控制方法，即主臂采用位置控制，從臂采用力與位置混合控制。多于雙臂的多支鏈系統(tǒng)的建模與控制難度較雙臂更高，劉嘉宇等提出了一種組合式全身柔順控制方法[101]，解決了多臂空間機(jī)器人捕獲大型翻滾目標(biāo)時(shí)的柔順接觸及碰撞安全問題，提出了一種基于全身阻抗控制和獨(dú)立導(dǎo)納控制的組合式接觸柔順全身控制策略，分別在空間機(jī)器人多剛體系統(tǒng)質(zhì)心層面構(gòu)建機(jī)械阻抗特性和在每條機(jī)械臂建立導(dǎo)納特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部拖拽的有效管理。

在未來的載人空間探測(cè)活動(dòng)中，航天員需要與機(jī)器人在同一共享空間內(nèi)工作，需要解決航天員、機(jī)器人、載荷設(shè)備共享工作空間時(shí)的本質(zhì)安全問題，確保機(jī)器人工作時(shí)不給航天員及周邊有效載荷及平臺(tái)設(shè)備帶來安全威脅或隱患，這也是當(dāng)前民用領(lǐng)域“人機(jī)協(xié)作、人機(jī)共融”機(jī)器人的發(fā)展熱點(diǎn)。一方面是如前文所述在常規(guī)剛性關(guān)節(jié)中引入彈性元件或柔性機(jī)構(gòu)，構(gòu)成串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)SEA，使得機(jī)器人具有高柔順性、良好的緩沖功能等；另一方面是機(jī)器人具備柔順運(yùn)動(dòng)控制的能力，目前基于阻抗控制的柔順運(yùn)動(dòng)控制方法應(yīng)用相對(duì)較多。DLR Ott等在LWR輕質(zhì)機(jī)械臂中采用將電機(jī)動(dòng)力學(xué)與力矩反饋相結(jié)合的方法[102]，將柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)作為兩個(gè)無源性系統(tǒng)的串聯(lián)反饋，在基于無源性理論的柔性關(guān)節(jié)控制器中引入力矩反饋，基于無源性理論設(shè)計(jì)的控制器具有算法簡(jiǎn)單、便于工程應(yīng)用，且兼顧良好的跟蹤性能等優(yōu)點(diǎn)，解決了位置跟蹤和阻抗控制等問題[103]。在Robonaut2中提出了多優(yōu)先級(jí)阻抗控制的方法[104]，將笛卡爾末端阻抗作為最高優(yōu)先級(jí)，將關(guān)節(jié)空間阻抗作為次優(yōu)先級(jí)，使得機(jī)器人手臂可以響應(yīng)手臂不同部位的目標(biāo)力或目標(biāo)位置，同時(shí)冗余自由度可最大限度地響應(yīng)或避障。

針對(duì)漂浮基座空間機(jī)器人對(duì)非合作目標(biāo)抓捕的動(dòng)力學(xué)控制的問題。由于非合作目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的不確定性，在接觸目標(biāo)航天器時(shí)會(huì)出現(xiàn)不確定的干擾。此外，機(jī)械臂與基座平臺(tái)組成高度耦合的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)會(huì)影響空間機(jī)器人基座平臺(tái)的姿態(tài)穩(wěn)定，這些問題都對(duì)空間機(jī)器人的在軌穩(wěn)定控制提出了較大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這些問題，許多學(xué)者提出了針對(duì)空間機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定控制的方法。Xu等針對(duì)空間機(jī)器人基座平臺(tái)可控的情況設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制方法，并在關(guān)節(jié)空間中對(duì)機(jī)械臂控制進(jìn)行了仿真計(jì)算[105]；Chu等提出了帶擾動(dòng)觀測(cè)器的魯棒控制策略[106]，將模型的不確定性與外界的干擾集中在一起，在機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)了擾動(dòng)觀測(cè)器，結(jié)合PD控制完成對(duì)機(jī)械臂的控制；Busoniu等提出了自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法[107]，對(duì)不確定部分用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似，并證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；Oda和Ohkami通過估計(jì)機(jī)械臂產(chǎn)生的角動(dòng)量[108]，然后對(duì)基座平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償控制，對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)與基座平臺(tái)姿態(tài)進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制；徐文福等提出在自由漂浮基下，由空間機(jī)械臂自身的控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與基座平臺(tái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的方法[109]。Yoshikawa 和Yamada提出一種角動(dòng)量控制策略[110]，該方法利用機(jī)械臂根據(jù)相對(duì)位姿進(jìn)行調(diào)整對(duì)抓捕對(duì)象反復(fù)施加脈沖，直至自旋目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)被抑制到很小的狀態(tài)，并通過合適的坐標(biāo)變化簡(jiǎn)化了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的表達(dá)式，設(shè)計(jì)了一種離散控制器，很好的分析了碰撞情況和穩(wěn)態(tài)條件。Dimitar 提出了偏置動(dòng)量法與動(dòng)量分配控制法[111]，該方法可使空間機(jī)器人在與抓捕對(duì)象碰撞前后姿態(tài)變化最小，在抓捕機(jī)構(gòu)接近目標(biāo)階段進(jìn)行角動(dòng)量偏置，在碰撞過程中采用阻抗控制，在碰撞后進(jìn)行角動(dòng)量分配控制，從而完成全部捕獲操作。

4 空間機(jī)器人未來應(yīng)用展望

空間機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)空間操控自動(dòng)化和智能化的使能手段之一。在當(dāng)前在軌應(yīng)用及驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，未來空間機(jī)器人的應(yīng)用方向可簡(jiǎn)要概括為空間目標(biāo)的抓捕與移除、高價(jià)值目標(biāo)的在軌服務(wù)與維修、空間大型構(gòu)件的在軌組裝及星球移動(dòng)與作業(yè)探測(cè)。

在空間抓捕方面，空間機(jī)器人是抓捕操控的主要手段之一。在當(dāng)前國內(nèi)外在軌抓捕的計(jì)劃和方案中，空間機(jī)器人系統(tǒng)均是抓捕和移除的核心手段之一，如SUMO[48]、TECSAS計(jì)劃(見圖37)等。利用在軌抓捕裝置可針對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、質(zhì)量特性參數(shù)未知或測(cè)量、行為不配合的非合作目標(biāo)(如故障航天器、空間碎片)開展抓捕、拖曳及移除操作。多臂機(jī)器人、變剛度機(jī)械臂、柔性機(jī)器人等類型的機(jī)器人在此類任務(wù)場(chǎng)景中較好的應(yīng)用潛力。

圖37 在軌抓取與移除Fig.37 On-orbit capture and removal

在高價(jià)值目標(biāo)的近距離精細(xì)化維修維護(hù)方面，針對(duì)故障衛(wèi)星的維修服務(wù)技術(shù)，對(duì)故障衛(wèi)星實(shí)施維修救援使其正常工作，對(duì)航天器進(jìn)行故障排除，對(duì)航天器進(jìn)行升級(jí)、補(bǔ)給等維護(hù)，可有效地延長航天器的在軌壽命或恢復(fù)功能，可挽回巨大的經(jīng)濟(jì)損失和產(chǎn)生積極的社會(huì)影響。利用空間機(jī)器人可針對(duì)高價(jià)值的目標(biāo)開展精細(xì)化的維修維護(hù)，包括燃料補(bǔ)加、模塊更換、物資運(yùn)輸、在軌維修、重構(gòu)利用等，典型任務(wù)如Restore-L計(jì)劃(見圖38[50])。超冗余靈巧機(jī)械臂、雙臂或仿人機(jī)器人、模塊化可重構(gòu)機(jī)器人、多功能末端執(zhí)行器、多指靈巧手等在此類任務(wù)場(chǎng)景中有較大的應(yīng)用潛力。

圖38 Restore-L計(jì)劃[50]Fig.38 Restore-L Program[50]

在大型構(gòu)件的在軌組裝方面，受火箭推力、整流罩包絡(luò)及機(jī)構(gòu)復(fù)雜度的影響，未來深空探測(cè)、天文觀測(cè)、戰(zhàn)略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結(jié)構(gòu)一次性實(shí)現(xiàn)在軌布署有較大的難度。在軌組裝可將單次/多次發(fā)射入軌的結(jié)構(gòu)模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)效率高、擴(kuò)展性強(qiáng)、可逐步升級(jí)等特性?？臻g機(jī)器人是大型空間結(jié)構(gòu)、載荷、航天器在軌組裝的主要手段之一，用以實(shí)現(xiàn)組裝過程中模塊移動(dòng)、連接、操作、調(diào)整等關(guān)鍵動(dòng)作，如圖39所示。

圖39 在軌組裝Fig.39 On-orbit assembly

在星球移動(dòng)與作業(yè)探測(cè)方面，在面向月球、火星等星球的探測(cè)活動(dòng)中，機(jī)器人可在惡劣星表環(huán)境開展長時(shí)間、大范圍的資源探測(cè)、環(huán)境探測(cè)、設(shè)施建設(shè)等任務(wù)；后續(xù)載人星球探測(cè)活動(dòng)中，機(jī)器人也可作為航天員感官和肢體的擴(kuò)展和延伸，顯著提升航天員的工作效率和效能，在極端環(huán)境預(yù)先探測(cè)、人機(jī)聯(lián)合作業(yè)、科研站的長期值守與維護(hù)方面發(fā)揮有益的作用，如圖40所示。針對(duì)上述任務(wù)場(chǎng)景，可發(fā)展仿生、可重構(gòu)、輪足復(fù)合式等新型星表機(jī)器人。

圖40 月面科研站設(shè)想Fig.40 Imagination of lunar scientific and research station

5 結(jié) 論

空間機(jī)器人，包括軌道空間機(jī)器人與星表空間機(jī)器人，經(jīng)歷若干年的應(yīng)用與驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了以空間機(jī)械臂與星表巡視器為代表工程產(chǎn)品的在軌應(yīng)用，具備了未來衛(wèi)星在軌服務(wù)、星表科學(xué)探測(cè)成熟應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。

未來在空間目標(biāo)抓捕移除、高價(jià)值目標(biāo)在軌服務(wù)維修、空間大型構(gòu)件在軌組裝、星球移動(dòng)與作業(yè)探測(cè)等領(lǐng)域，空間機(jī)器人有巨大的應(yīng)用潛力，是上述重大工程和空間科學(xué)應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)的使能技術(shù)和手段。

為應(yīng)對(duì)任務(wù)需求對(duì)空間機(jī)器人智能化、高精度、力柔順、高安全性的要求，空間機(jī)器人還需在新型機(jī)構(gòu)構(gòu)型、輕量化柔順關(guān)節(jié)、多功能靈巧末端操作、高機(jī)動(dòng)性自主行走移動(dòng)、多通道感知認(rèn)知、動(dòng)力學(xué)與控制等方面開展進(jìn)一步的基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。