第五部分機(jī)器人應(yīng)用之五---空間機(jī)器人

1、空間機(jī)器人空間機(jī)器人的定義和發(fā)展歷程空間機(jī)器人的定義和發(fā)展歷程空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類空間機(jī)器人通信技術(shù)空間機(jī)器人通信技術(shù)空間機(jī)器人的應(yīng)用空間機(jī)器人的應(yīng)用空間機(jī)器人的定義和發(fā)展歷程空間機(jī)器人的定義和發(fā)展歷程定義定義 從廣義上講，一切航天器都可以成為空間機(jī)器人，從廣義上講，一切航天器都可以成為空間機(jī)器人，如宇宙飛船、航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站等。如宇宙飛船、航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、空間站等。航天界對空間機(jī)器人的定義一般是指用于開發(fā)太航天界對空間機(jī)器人的定義一般是指用于開發(fā)太空資源、空間建設(shè)和維修、協(xié)助空間生產(chǎn)和科學(xué)空資源、空間建設(shè)和維修、協(xié)助空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)、星際探索等方面的帶

2、有一定智能的各種機(jī)實(shí)驗(yàn)、星際探索等方面的帶有一定智能的各種機(jī)械手、探測小車等應(yīng)用設(shè)備。械手、探測小車等應(yīng)用設(shè)備。 空間機(jī)器人所從事的工作主要包括：空間機(jī)器人所從事的工作主要包括： 空間站的建設(shè)空間站的建設(shè) 航天器的維護(hù)和修理航天器的維護(hù)和修理 空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)空間生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn) 星球探測星球探測世界上第一顆人造地球衛(wèi)星空間機(jī)器人正在維修人造衛(wèi)星空間機(jī)器人的發(fā)展歷程空間機(jī)器人的發(fā)展歷程 空間機(jī)器人的發(fā)展歷程在不同國家是不同的。1 空間機(jī)器人在美國的發(fā)展空間機(jī)器人在美國的發(fā)展 1962年美國使用專用機(jī)器人采集了金星大氣數(shù)據(jù)。1967年，“海盜”火星著陸器對火星土壤進(jìn)行了分析，以尋找生命跡象。 2

3、0世紀(jì)70年代初，美國提出在空間飛行中應(yīng)用機(jī)器人系統(tǒng)的概念，并且在航天飛機(jī)上予以實(shí)施。機(jī)遇號：03.7發(fā)射，04.1火星鳳凰號：07.8發(fā)射，08.5火星北極著陸好奇號：好奇號：11.11發(fā)射，發(fā)射，12.8火星火星耗費(fèi)：耗費(fèi)：25億美金億美金2 空間機(jī)器人在加拿大的發(fā)展空間機(jī)器人在加拿大的發(fā)展加拿大航天局在空間加拿大航天局在空間機(jī)器人項(xiàng)目中為美國機(jī)器人項(xiàng)目中為美國航天飛機(jī)設(shè)計(jì)遙控機(jī)航天飛機(jī)設(shè)計(jì)遙控機(jī)械臂（械臂（RMS）。加拿）。加拿大同時(shí)開展的項(xiàng)目還大同時(shí)開展的項(xiàng)目還有針對空間站研制的有針對空間站研制的MSC，即具有雙臂靈，即具有雙臂靈巧操作手的可移動作巧操作手的可移動作業(yè)中心。業(yè)中心。加拿

4、大臂加拿大臂DextreDextre3 空間機(jī)器人在日本的發(fā)展空間機(jī)器人在日本的發(fā)展 日本國家空間發(fā)展局（NASDA）目前組織力量研究空間機(jī)器人系統(tǒng)。東芝公司和電子綜合技術(shù)研究所共同研制了多功能機(jī)械手。主要用于完成外艙、補(bǔ)給艙的組裝、支持加壓艙內(nèi)宇航員完成各種實(shí)驗(yàn)任務(wù)、更換實(shí)驗(yàn)儀器、維修實(shí)驗(yàn)設(shè)備、更換和處理實(shí)驗(yàn)材料等。日本東芝公司研制的火星探測機(jī)器人 2013年8月前往國際空間站4 空間機(jī)器人在俄羅斯的發(fā)展空間機(jī)器人在俄羅斯的發(fā)展 20世紀(jì)60年代，美蘇兩國在空間機(jī)器人的研究方面各顯其能，不相上下。但是到了20世紀(jì)70年代，美國放慢了空間機(jī)器人的研究步伐，而前蘇聯(lián)則一如既往，對空間機(jī)器人的研究

5、有增無減。前蘇聯(lián)利用空間機(jī)器人協(xié)助宇航員完成了飛行器的對接任務(wù)和燃料加注任務(wù)，令美國的空間科學(xué)家羨慕不已。但是近二十年來由于其經(jīng)濟(jì)發(fā)生了困難，對空間機(jī)器人的研究有所放慢。 玉兔號 2013年12月，超期7個(gè)月空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類空間機(jī)器人的特點(diǎn)空間機(jī)器人的特點(diǎn)1 高真空對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求高真空對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求在高真空環(huán)境下只有特殊挑選的材料才可用，需特殊的潤滑方式，如干潤滑等；更適宜無刷直流電動機(jī)進(jìn)行電交換；一些特定的傳感原理失效，如超聲波探測等。2 微重力或無重力對空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求微重力或無重力對空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求微重力的環(huán)境要求所有的物體都需固定，動

6、力學(xué)效應(yīng)改變，加速度平滑，運(yùn)動速度極低，啟動平滑，機(jī)器人關(guān)機(jī)脆弱，傳動率要求極高。3 極強(qiáng)輻射對空間機(jī)器人的要求極強(qiáng)輻射對空間機(jī)器人的要求在空間站內(nèi)的輻射強(qiáng)，并存在質(zhì)子和重粒子。強(qiáng)輻射使得材料壽命縮短，電子器件需要保護(hù)及特殊的硬化技術(shù)。4 距離遙遠(yuǎn)對空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求距離遙遠(yuǎn)對空間機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求空間機(jī)器人離地面控制站的距離遙遠(yuǎn)，傳輸控制指令的通信將發(fā)生延遲（稱為時(shí)延）。時(shí)延對空間機(jī)器人最大的影響是使連續(xù)操作閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。同時(shí)在存在時(shí)延的情況下，即使操作者完成簡單工作也需要比無時(shí)延情況下長得多的時(shí)間，只是由于操作者為避免系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須采取“運(yùn)動等待”的階段工作方式。5 真空溫

7、差大對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求真空溫差大對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)的要求在真空環(huán)境下，不能利用對流散熱，在空間站內(nèi)部的溫差為-12060，在月球環(huán)境中的溫差為-230130，在火星環(huán)境中的溫差為-13020。在這樣的溫差環(huán)境中工作的空間機(jī)器人應(yīng)該需要多層隔熱、帶熱管的散熱器、分布式電加熱器、放射性同位素加熱單元等技術(shù)。 除了以上空間環(huán)境對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)所提出的要除了以上空間環(huán)境對空間機(jī)器人設(shè)計(jì)所提出的要求外，空間機(jī)器人還具有如下特點(diǎn)求外，空間機(jī)器人還具有如下特點(diǎn)： 可靠性和安全性要求高可靠性和安全性要求高 機(jī)載質(zhì)量有限且成本昂貴機(jī)載質(zhì)量有限且成本昂貴 機(jī)載電源和能量有限機(jī)載電源和能量有限空間機(jī)器人的應(yīng)用空間

8、機(jī)器人的應(yīng)用探測空間機(jī)器人探測空間機(jī)器人 探測空間機(jī)器人主要用于對空間星體進(jìn)行科學(xué)探探測空間機(jī)器人主要用于對空間星體進(jìn)行科學(xué)探測，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新物質(zhì)，解釋宇宙生成的奧秘。測，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象和新物質(zhì)，解釋宇宙生成的奧秘。目前，人類所從事的最成功的空間探測是火星探目前，人類所從事的最成功的空間探測是火星探測，并且研制并實(shí)際使用了多種火星探測空間機(jī)測，并且研制并實(shí)際使用了多種火星探測空間機(jī)器人。器人。 飛往火星的航天器主要包括由地球飛往火星的裝飛往火星的航天器主要包括由地球飛往火星的裝備、著陸裝備和攜帶探測儀器的空間機(jī)器人，特備、著陸裝備和攜帶探測儀器的空間機(jī)器人，特別是著陸于火星表面的航天器。別是著陸

9、于火星表面的航天器?；鹦翘綔y空間機(jī)器人火星探測空間機(jī)器人“海盜號”火星探測空間機(jī)器人“機(jī)遇號”火星探測空間機(jī)器人“勇氣號”火星探測空間機(jī)器人“鳳凰號”火星探測空間機(jī)器人“勇氣號勇氣號”火星探測空間機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)火星探測空間機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)“勇氣號勇氣號”火星探測空間機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括：火星探測空間機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括：機(jī)體機(jī)體：機(jī)體是一層堅(jiān)硬的外壁，它能起到保護(hù)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)、電子系統(tǒng)和電池的作用。因此，機(jī)體保護(hù)了機(jī)器人的主要器官并實(shí)現(xiàn)了溫度控制。熱電子盒WEB控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)：機(jī)器人的計(jì)算機(jī)安裝在機(jī)體內(nèi)一個(gè)稱為機(jī)器人電子模塊的里面。主計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的設(shè)備和傳感器通過總線來交換數(shù)據(jù)。機(jī)器

10、人的輪子：機(jī)器人的輪子：機(jī)器人有6個(gè)輪子，每個(gè)輪子有自己獨(dú)立的電動機(jī)。它的2個(gè)前輪和2個(gè)后輪還有獨(dú)立的轉(zhuǎn)向發(fā)動機(jī)?？茖W(xué)儀器：科學(xué)儀器：科學(xué)儀器主要包括：磁體排列微型熱輻射分光計(jì)、穆斯堡爾譜分光計(jì)、射線粒子X射線分光儀、磨石工具等。機(jī)器人的攝像機(jī)：機(jī)器人的攝像機(jī)：“勇氣號”機(jī)器人有9個(gè)攝像機(jī)。包括：避障攝像機(jī)（4個(gè)）、導(dǎo)航攝像機(jī)（2個(gè)）、科學(xué)探測全景攝像機(jī)（2個(gè)）、顯微鏡攝像機(jī)（1個(gè)）、測定標(biāo)定對象?！坝職馓枴睓C(jī)器人上的攝像機(jī)布局機(jī)器人的機(jī)器人的“頸和頭頸和頭”：在“勇氣號”機(jī)器人上看上去像頸和頭的裝置被稱為全景攝像機(jī)桅桿頭。它有兩個(gè)作用：作為裝在機(jī)器人內(nèi)部的微型熱輻射分光計(jì)潛望鏡、全景攝像機(jī)和

11、導(dǎo)航攝像機(jī)提供一個(gè)適合的高度和視界。機(jī)器人上的“頸”和“頭”機(jī)器人的手臂：機(jī)器人的手臂：機(jī)器人的手臂也叫工具執(zhí)行裝置。該手臂具有三個(gè)關(guān)節(jié)：肩、肘和腕。該手臂能夠使工具操作延伸、彎曲和轉(zhuǎn)動一定精確的夾角，并能剔除巖石表層，拍攝微小圖像，并分析巖石和土壤的組成成分。裝在機(jī)器人手上的4個(gè)工具是：微型攝像機(jī)、Mossbauer譜分光計(jì)、射線粒子X射線分光儀和巖石研磨工具。機(jī)器人的手臂空間機(jī)器人航天器空間機(jī)器人航天器 空間機(jī)器人的主要作用是對在軌衛(wèi)星進(jìn)行外部監(jiān)視，故障診斷和維護(hù)，并可以保護(hù)己方衛(wèi)星或攻擊敵方衛(wèi)星，代替宇航員來完成一些艙外作業(yè)。 AeroAstro在第十七屆AIAA/USU小衛(wèi)星年度會議上

12、提出“護(hù)航者”的概念，即在發(fā)射一顆大衛(wèi)星時(shí)，同時(shí)從這顆大衛(wèi)星上釋放出一個(gè)小衛(wèi)星以監(jiān)視大衛(wèi)星的工作狀況。這顆小衛(wèi)星能夠自主靠近大衛(wèi)星，并且能從任意角度、任意距離處對大衛(wèi)星進(jìn)行拍照。由美國空軍主要負(fù)責(zé)的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)(XSS)微小衛(wèi)星演示驗(yàn)證項(xiàng)目，用于演示驗(yàn)證自主逼近操作技術(shù)，如在軌檢查、交會和對接、重定位、逼近繞飛。該項(xiàng)目的第一顆衛(wèi)星是由波音公司負(fù)責(zé)研制的XSS-10。XSS-10衛(wèi)星由洛克希德.馬丁公司研制的XSS-11衛(wèi)星是該項(xiàng)目的第二顆星，也已經(jīng)于2005年4月11發(fā)射入軌。該星重約100kg，具備在軌成像能力。在任務(wù)期間，XSS-11衛(wèi)星計(jì)劃與位于同一軌道內(nèi)的67個(gè)空間物體進(jìn)行自主交會，以驗(yàn)證其較高的自主飛行能力。 XSS-11衛(wèi)星 XSS-11衛(wèi)星在距離minotaur-1火箭0.5km處拍攝的火箭上面級圖片 新一代太空機(jī)器人的自主決策能力更強(qiáng)，可以更為獨(dú)