国内外空间机器人技术发展综述

张文辉，叶晓平，季晓明，吴夏来，朱银法，王超

（1.丽水学院工学院，浙江丽水 323000；2.哈尔滨工业大学航天学院，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

随着空间技术的不断发展，探索太空的活动得到了进一步延伸，人类完成了从大气层到外层空间，从月球到火星的逐步拓展。航天技术经历了从发射卫星到建立空间站的一系列发展，宇宙太空已成为人类另一个生存和工作的空间。但太空环境是一个微重力、高真空、强辐射、大温差的恶劣环境，威胁着宇航员对于宇宙太空的进一步探索。在这样危险的环境中，采用空间机器人协助或代替宇航员完成大量艰巨危险的任务正成为世界各空间大国的一致目标［1-2］。

不仅如此，空间飞行器的很多作业由于高危性以及成本限制也需要空间机器人来完成，这些作业包括:通过机械手臂捕捉失效卫星进行回收利用、在轨修理飞行器及补充燃料以延长飞行器工作寿命、进行大型空间机构的搬运和组装、清理太空垃圾以避免与卫星相撞、进行航天飞机和空间站的对接分离操作等，因此研究空间机器人对于航天技术发展具有重要意义［3-4］。

据有关数据显示［5］，目前全世界每年发射的卫星数目为80～130颗，然而大约有2%的卫星未能正确进入轨道，已进入轨道的有8%左右的卫星不到30天即宣告失效。不计科研人力浪费，仅从研制到发射的投入资金来说，就造成了巨大损失。例如我国于2006年10月发射的“鑫诺二号”卫星，由于太阳帆板及天线未能顺利展开而变成了一颗废星。不包括火箭发射费用，仅这颗卫星就耗资20亿人民币。如果卫星自身安装有机械手，那么在事故发生后通过及时维修是有可能避免损失的。

我国空间技术在快速发展，仅2010年就发射了近20颗卫星，以后又陆续发射了“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”宇宙飞船，并进行了无人交会对接。下一步还将发射“天宫二号”，并争取在2020年建立长期有人居住空间站［6］。为了实现这个空间战略目标，目前我国正加紧空间机器人的研究计划，这些研究计划的成功实施对进一步发展太空科技、提升战略地位具有十分重要的意义。

1 空间机器人概述

空间机器人主要由空间机器人基体及搭载在基体上的机械臂组成，可以在太空中完成各种任务作业。例如:卫星的释放和回收、空间站的维修以及飞行器燃料的加注等［7］。而这些任务很难由宇航员独立完成，通常需要借助空间机器人协助执行。执行任务的空间机器人系统如图1所示。

图1 空间机器人系统Fig.1 Space robot system

空间机器人与地面机器人的显著区别是空间机器人的基体（卫星）不是固定的，而是在太空中处于自由飞行或浮游状态，这样相对于地面机器人系统增加了六个自由度。空间飞行器基体姿态和位置的调整通常利用动量轮或反作用喷气推力器作为执行机构，这无疑浪费了宝贵的有限燃料，缩短了空间飞行器的寿命。按照空间飞行器的基体姿态和位置是否可控，可以分为三种情况:第一种为基体位置及姿态均可控，这等同于地面机器人；第二种为基体位置不可控，姿态可控，这主要针对某些具有一定姿态要求的通讯卫星进行相应调整；第三种为基体位置及姿态均不可控，即自由漂浮空间机器人，这种机器人最大范围内节省了燃料，延长了寿命。

2 国外空间机器人发展概况

2.1 加拿大空间机器人概况

世界上第一个成功应用于飞行器的空间机器人系统为加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系统［8］，如图2（a）所示。该机械臂总长15.2 m，由一个肩关节、肘关节和腕关节组成，其主要功能为投放卫星进入恰当的轨道和维修失效卫星等，该机械臂还修理过哈勃太空望远镜。

在此基础上，加拿大MD Robotic公司继而开发了应用于空间站的遥控机械臂系统MSS［9］，如图2（b）所示。该系统主要由活动基体系统、空间站遥控机械臂系统（SSRMS）及专用灵巧机械臂（SPDM）等三部分组成。其中SSRMS是一个七自由度机器人，由两个臂杆组成，主要用于大型物体搬运和组装；SPDM是SSRMS臂的灵巧手，长约3.5 m，质量约1 660 kg；灵巧机械臂的本体装配在遥控机械臂系统的末端来执行一些更加细致的操作任务［10］。

图2 加拿大的空间机械臂系统Fig.2 Canadian space manipulators systems

2.2 美国空间机器人概况

美国从20世纪80年代初就陆续开展了空间机器人的研究项目，其主要研究项目有FTS，Skyworker，Robonaut，Ranger和轨道快车等，如图 3 所示。

FTS是美国最早的空间机器人研究项目，主要在空间站上执行各种装配、维修及协助视觉监测等繁杂任务［11］。FTS由两个机械臂及一个定位腿组成，属于类人机器人，机械臂可以在高灵巧系统中于工作空间内无奇点地提供89 N的力和27 Nm的力矩。机械臂运动结构是对称的，力/力矩传感器安装在机械臂末端，工作于遥操作模式下，如图3（a）所示。

Skyworker由卡耐基-梅隆大学研制，属于附着移动机器人［12］，如图3（b）所示。该机器人借助于所在支撑平台的反作用力，移动并操纵各种载荷进行工作。当承载载荷较大时，采用连续的步态保持负载匀速运动，避免每一步均进行加减速。这种工作方式可以在反作用力最小的情况下使得能量利用率更高，是一种能够对大空间结构自主装配、监测和维修的低成本机器人。

Ranger TFX是一种灵巧空间机器人系统［13］，具体如图3（c）所示，项目开始于1992年，是一种具有自由飞行能力的空间机器人。当时主要是为了满足哈勃望远镜机器人服务的要求，而后在此基础上又开发了针对航天飞机进行演示任务的RTSX项目，如图3（d）所示。

Robonaut是NASA开发的空间类人机器人［14］，如图3（e）所示。它是一个多自由度灵巧机器人，主要是作为助手与航天员一起工作，并执行日常维修任务。“轨道快车”计划是在1999年公布的，如图3（f）所示。主要用于开发研究未来空间在轨补给和修复、重构等技术，实验修复卫星，进行各类仪器的太空试验，并利用在轨飞行演示与验证［15］。

图3 美国的空间机械臂系统Fig.3 American space manipulator systems

2.3 欧洲空间机器人概况

德国是欧洲国家中对空间机器人研究比较重视的国家，空间机器人研究主要有ROTEX项目、ESS项目、ROKVISS项目和 TECSAS项目等，如图 4所示。

ROTEX项目于1986年开始，是一个小型六轴机器人系统［16］，1993年在哥伦比亚号航天飞机上进行了飞行演示，执行了抓取物体、机械装配及拔插电插头等多个实验任务，是世界上首例具有地面遥操作功能的空间机器人，具体组成如图4（a）所示。

ESS项目如图4（b）所示，是为GEO轨道通信卫星进行服务的，其主要任务是将ROTEX中已经验证的遥操作思想用于自由空间环境中执行卫星服务。

ROKVISS由一个两关节机器人及相关辅助设备共同组成，主要用于验证机械臂的功能，如图4（c）所示［17］。该项目于2004年跟随俄罗斯进步号宇宙飞船发射升空，然后在ISS上进行飞行试验，并进行了相关实验验证［18］。

TECSAS项目是2003年德国宇航中心资助研究的［19］，如图4（d）所示。该项目计划采用目标卫星和跟踪卫星进行试验，其中机械臂和手抓取系统安装在跟踪卫星上，能够对空间设备维修及服务系统中比较关键的技术进行实验验证。

图4 德国的空间机械臂系统Fig.4 German space manipulator systems

欧空局的空间机器人研究项目主要有地球静止轨道服务车GSV和服务于空间站的欧洲臂ERA。

GSV的概念提出于1990年，主要任务是对地球静止轨道卫星进行服务，GSV的具体外形如图5（a）所示［20］。ERA是一个可重定位的、完全对称的7关节机械臂［21］，如图5（b）所示。ERA操作时采用固定其中的一端，而另一端作为执行机构来进行操作，它可以工作于三种模式，分别为自主模式、预编程操作模式以及手动控制模式等。

图5 欧空局的空间机械臂系统Fig.5 ESA space manipulator systems

意大利空间局ISA设计了具有高度自主性的自由飞行空间机器人SPIDER系统，主要任务是对在轨结构进行近距离的监测以及维修［22］，这在空间机器人领域是一个战略性的长期项目。SPIDER的机械臂共有7个旋转关节，其运转结构如图6所示。

图6 意大利的SPIDER系统Fig.6 Italy SPIDER system

2.4 日本空间机器人概况

日本在空间机器人领域取得了很大成功，其中主要的有MFD项目和ETS-VII项目，如图7所示。这些项目均取得了极大的成功，未来日本将在国际空间站的日本舱段装配JEMRMS系统。

MFD系统是日本的第一个空间机械臂实验项目［23］，在1997年于“发现号”航天飞机上成功进行了演示实验，如图7（a）所示。其主要作用为:（1）对空间机械臂性能进行评估；（2）对空间机械臂控制系统人机接口的性能进行评估；（3）采用机械臂对ORU的安装与卸载、门的开及关等能力进行演示实验；（4）对地面遥操作进行演示实验等。

ETS-VII是世界上第一个真正的自由飞行空间机器人系统，如图7（b）所示［24］，于1997年发射升空。其主要目的是科学实验:一是两颗卫星的交会对接实验；二是对空间机器人做各种操作实验。ETS-VII空间机器人具有六自由度；长2.4 m，重约150 kg；第一关节与最后关节处分别安装有一个相机。

图7 日本的空间机械臂系统Fig.7 Japan space manipulator systems

JEMRMS是用于空间操作的机器人系统［25］，NASDA负责研制。该机器人由主臂和小臂SFA串联组成，主臂长约10 m，主要由6个关节和2个臂杆组成；小臂长约2 m，主要由6个关节、2根臂杆以及一个末端效应器组成。宇航员执行任务时可以借助于这两个臂杆进行更多的操作，图8为JEMRMS搬运有效载荷的过程。

图8 日本的JEMRMS系统Fig.8 Japan JEMRMS system

3 国内空间机器人概况

我国的空间机器人的研究起步较晚，国内的一些研究所和高校在“八五”期间进行了空间机器人基础项目以及地面仿真平台的研制工作。国家高技术领域演示项目——“舱外自由移动机器人系统”EMR，属于一套能够执行行走与操作能力的舱外空间机器人系统［26］，如图9所示。这种移动机器人可以执行拧螺丝、插拔插头及抓拿漂浮物等精细操作；而且该空间机器人可以利用预先输入的操作指令以及空间站遥控，执行对空间站的装配、检测与维修任务，并承担照看及维护科学实验等服务工作。

图9 中国的EMR空间机器人Fig.9 China EMR space robot system

4 结束语

空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在国内目前还处于探索阶段。随着我国空间实验室“天宫二号”目标飞行器提上日程，大型空间机械臂研制也在加快进行。本文分别从空间机器人的概念、结构、用途等方面进行了论述，详细介绍了国内外空间机器人的研究发展现状。通过参考国外成熟的技术和发展经验，发展具有自己空间特色的机器人技术无疑将产生巨大的经济效益及社会效益。

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