極限作業(yè)機(jī)器人系列（八）——空間機(jī)器人

極限作業(yè)機(jī)器人（robot under critical working condition）是可以在人為難以接受的環(huán)境下工作的工業(yè)機(jī)器人，空間機(jī)器人則是其中用于完成特定空間任務(wù)的一類機(jī)器人。

（科幻電影中的空間機(jī)器人）

空間機(jī)器人(Space Robots)是用于代替或協(xié)助人類在太空中進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)、出艙操作、空間探測等活動的特種機(jī)器人。相對于地球環(huán)境, 太空環(huán)境非常惡劣, 充滿不確定性, 微重力、高真空、強(qiáng)輻射、極限溫度、照明差……航天員在空間中活動充滿危險(xiǎn)，空間機(jī)器人代替宇航員出艙活動可以大幅度降低風(fēng)險(xiǎn)和成本，而且在無人的航天科學(xué)探索活動中，機(jī)器人能有效擴(kuò)展人類的活動和操控范圍。因此，研發(fā)功能強(qiáng)大、操作靈活、具備高度智能的空間機(jī)器人協(xié)助人類探索太空, 是助推航天事業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要技術(shù)領(lǐng)域。

（正在作業(yè)的空間機(jī)器人）

按照用途的不同, 空間機(jī)器人可以分為在軌服務(wù)機(jī)器人和星球探測機(jī)器人兩大類。其中, 在軌服務(wù)機(jī)器人分為艙內(nèi)/外服務(wù)機(jī)器人和自由飛行機(jī)器人。艙內(nèi)/外服務(wù)機(jī)器人一般是指安裝或工作于空間站, 協(xié)助航天員完成各種任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng), 最典型的是國際空間站和安裝在航天飛機(jī)上的大型機(jī)械臂。自由飛行機(jī)器人一般是指飛行器安裝機(jī)械臂組成用于空間在軌服務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。星球探測機(jī)器人一般是指執(zhí)行地外星體探測的機(jī)器人系統(tǒng), 如月球車、火星車等。

（形形色色的空間機(jī)器人）

空間機(jī)器人按功能進(jìn)行劃分，主要分為空間機(jī)械臂機(jī)器人與類人機(jī)器人兩大類?？臻g機(jī)械臂機(jī)器人具有廣泛豐富的用途和強(qiáng)大靈活的功能，是最早應(yīng)用的一類空間機(jī)器人，是空間站建設(shè)、維護(hù)和使用的關(guān)鍵設(shè)備，也可以完成對接、搬運(yùn)等任務(wù)。類人機(jī)器人更加靈活且具有更高智能性，可以與人類宇航員協(xié)作或代替人完成特殊復(fù)雜、靈活多變的任務(wù)?？芍苯哟畛溯d人航天器和使用人類航天裝備，與人類進(jìn)行直接的交流合作，是現(xiàn)今空間機(jī)器人發(fā)展的主要領(lǐng)域。

（空間機(jī)械臂）

（俄羅斯研制的空間類人機(jī)器人）

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，針對空間機(jī)器人技術(shù)的驗(yàn)證或航天器任務(wù)的需求，我國及美國、日本、加拿大、德國、歐空局等至今已開展了數(shù)以百計(jì)的空間機(jī)器人系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)，在解決工作環(huán)境難以模擬、“穩(wěn)準(zhǔn)狠”地抓取目標(biāo)、惡劣環(huán)境下保證可靠性等技術(shù)難題方面不斷取得突破。

（空間機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)）

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。

（國際空間站）

航天飛機(jī)遙操作機(jī)械臂SRMS（Shuttle Remote Manipulator System）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，也被稱為加拿大機(jī)械臂（Canadarm）。1981年，SRMS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”節(jié)點(diǎn)艙與俄羅斯“曙光號”首次組裝任務(wù)。SRMS主要用于物資搬運(yùn)、輔助航天員出艙活動和航天飛機(jī)在軌檢測等任務(wù)

（SRMS執(zhí)行的首次空間在軌組裝任務(wù)）

國際空間站移動服務(wù)系統(tǒng)MSS（Mobile Servicing System）是國際空間站上最復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，由移動基座系統(tǒng)、空間站遙控機(jī)械臂、末端靈巧機(jī)械手及移動傳輸器4個(gè)部分組成。它的主要任務(wù)是輔助空間站在軌組裝、大型負(fù)載搬運(yùn)、ORU更換、航天員艙外活動輔助、空間站輔助維修等。

（空間機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)）

作為大型、載人的航天器，國際空間站為各國空間機(jī)器人演示驗(yàn)證提供了得天獨(dú)厚的先天條件，不少國家的機(jī)器人相繼進(jìn)入國際空間站開展了技術(shù)驗(yàn)證。德國的ROKVISS項(xiàng)目于2004年在國際空間站進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，它包括兩個(gè)關(guān)節(jié)、立體相機(jī)、控制器等，主要驗(yàn)證DLR高集成度、模塊化、輕量化關(guān)節(jié)、自動控制、力反饋遙操作等不同控制模式。

（ROKVISS驗(yàn)證平臺組成）

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。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三百多個(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，使之具備出艙服務(wù)移動能力。

（機(jī)器人宇航員R2在國際空間站）

2013年8月，日本“鸛”號貨運(yùn)飛船搭載發(fā)射了小型機(jī)器人宇航員“KIROBO”，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話，消除宇航員在軌寂寞感。

（小型機(jī)器人宇航員“KIROBO” ）

2019年8月，俄羅斯聯(lián)盟號飛船搭載發(fā)射人形機(jī)器人Skybot F-850至國際空間站，它是具備四肢的空間仿人機(jī)器人，具備模仿航天員作業(yè)的能力。在國際空間站約半月的測試中，F(xiàn)-850測試了開啟艙門、傳遞工具、模擬艙外活動等試驗(yàn)。

（Skybot F-850在國際空間站）

在軌服務(wù)機(jī)器人迅猛發(fā)展的同時(shí)，星球探測機(jī)器人的研發(fā)也取得了豐碩成果。與其它用途的空間機(jī)器人相比, 星球探測機(jī)器人應(yīng)具有更強(qiáng)的自主性, 能夠在無人干預(yù)或較少干預(yù)的情況下獨(dú)立完成在地外星體完成探測著陸地點(diǎn)、科學(xué)儀器放置、收集樣品進(jìn)行分析等各項(xiàng)任務(wù)。

（星球探測機(jī)器人）

20世紀(jì)60年代末和70年代初, 蘇聯(lián)和美國分別發(fā)展了無人月球車和有人駕駛的月球車, 這些月球車的運(yùn)行距離達(dá)40km。在月球表面, 要面對的特殊挑戰(zhàn)是多塵埃、低重力和接近真空的空間環(huán)境。當(dāng)時(shí), 美國的月球漫游車 (LRV) 和蘇聯(lián)的月球車-1 (Lunokhod) 的尺寸和質(zhì)量都較大, 長度約2m, 質(zhì)量超過700kg。蘇聯(lián)的月球車-1是世界上第一個(gè)著陸到月球表面的無人月球車, 它是由1970年11月發(fā)射的月球-17 (Luna-17) 探測器送到月球表面的, 登月點(diǎn)位于北緯38°18′、西經(jīng)35°的雨海。它行駛了10.5km, 考察了約80000平方米的月球表面。

（蘇聯(lián)的月球車-1 ：Lunokhod ）

進(jìn)入21世紀(jì), 隨著航天技術(shù)的發(fā)展, 月球及行星探測的廣度和深度也不斷加大。世界主要航天大國紛紛提出新的探測計(jì)劃, 美國已開始實(shí)施重返月球計(jì)劃。歐洲、日本、印度等都制定了月球和行星探測計(jì)劃。

（美國的阿波羅號月球車）

火星探測也是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向, 目前美國處于絕對領(lǐng)先地位。美國分別在1997年、2003年、2011年發(fā)射了索杰納號、勇氣號、機(jī)遇號和好奇號火星車, 開展了一系列火星探測活動與試驗(yàn)。

（嫦娥三號及嫦娥四號月面巡視器）

好奇號火星探測器是NASA研制的一臺探測火星任務(wù)的火星車, 于2011年11月發(fā)射, 2012年8月成功登陸火星表面。它是美國第7個(gè)火星著陸探測器、第4臺火星車, 也是世界上第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車, 其使命是探尋火星上的生命元素。項(xiàng)目總投資26億美元, 是截至2012年最昂貴的火星探測項(xiàng)目。

（好奇號火星車）

中國空間機(jī)器人研究起步較晚, 但是隨著中國綜合國力的增強(qiáng)和航天技術(shù)的快速發(fā)展, 在空間機(jī)器人領(lǐng)域, 中國也開展積極探索和研究, 完成了多項(xiàng)空間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn), 多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)取得突破, 與國際先進(jìn)水平差距逐漸縮小。2013年中國發(fā)射了第一臺空間機(jī)械臂, 并完成了一系列空間操作實(shí)驗(yàn), 標(biāo)志著中國空間機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列。2016年6月25日, 由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院主持研制的空間碎片主動清除空間機(jī)器人搭乘長征7號運(yùn)載火箭進(jìn)入軌道, 完成了利用空間機(jī)械臂進(jìn)行空間碎片主動清除及非合作目標(biāo)探測與抓捕實(shí)驗(yàn), 取得圓滿成功。

（中國太空機(jī)械臂）

2016年中國進(jìn)行了國際首次人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗(yàn), 該項(xiàng)試驗(yàn)主要面向航天設(shè)備在軌組裝及拆卸任務(wù), 探索人機(jī)協(xié)同完成在軌維修典型作業(yè), 為空間機(jī)器人在軌服務(wù)積累經(jīng)驗(yàn)。2016年10月19日, 天宮二號與神舟十一號對接后, 航天員與隨天宮二號發(fā)射入軌的機(jī)械手協(xié)同完成了拿電動工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學(xué)試驗(yàn)。該項(xiàng)目由哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國空間技術(shù)研究院、北京理工大學(xué)共同完成。

（天宮二號機(jī)械臂靈巧手旋擰操作試驗(yàn)）

2019年1月3日，中國“嫦娥四號”探測器成功實(shí)現(xiàn)人類首次月球背面軟著陸并釋放月球車“玉兔二號”。這是月亮上的第7輛車，重135公斤，設(shè)計(jì)壽命為3個(gè)月，可駛過20厘米高的石頭，最快每小時(shí)走200米，是史上最輕的月球車。新版月球車?yán)^承了嫦娥三號“玉兔”的全景相機(jī)、測月雷達(dá)和紅外成像光譜儀，可拍攝月表高分辨率的彩色圖像，探測巡視路線上月壤厚度和結(jié)構(gòu)，及對月表物質(zhì)成分和可利用資源開展調(diào)查。

（玉兔2號月球車）

2020年17日1時(shí)59分，嫦娥五號返回器安全著陸，帶回月球風(fēng)暴洋區(qū)域的鉆取和表取樣品，成功完成中國首次地外天體采樣返回任務(wù)，使中國成為世界上第二個(gè)月球無人自主采樣返回的國家。

（玉兔2號在月面執(zhí)行任務(wù)）