空間機(jī)器人匯編

空間機(jī)器人一、國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人發(fā)展概況二、空間機(jī)器人的概述三、空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類一、國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人發(fā)展概況1、加拿大空間機(jī)器人概況（a）世界上第一個(gè)成功應(yīng)用于飛行器的空間機(jī)器人系統(tǒng)為加拿大MD

Robotic公司于1981年研制的SRMS系統(tǒng)，該機(jī)械臂總長(zhǎng)15.2m，由一個(gè)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)組成，其主要功能為投放衛(wèi)星進(jìn)入恰當(dāng)?shù)能壍篮途S修失效衛(wèi)星等，該機(jī)械臂還修理過哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。

(b)加拿大MD

Robotic公司繼而開發(fā)了應(yīng)用于空間站的遙控機(jī)械臂系統(tǒng)MSS。該系統(tǒng)主要由活動(dòng)基體系統(tǒng)、空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SSRMS）及專用靈巧機(jī)械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS由兩個(gè)臂桿組成，主要用于大型物體搬運(yùn)和組裝；SPDM是SSRMS臂的靈巧手，長(zhǎng)約3.5m，質(zhì)量約1660kg；靈巧機(jī)械臂的本體裝配在遙控機(jī)械臂系統(tǒng)的末端來執(zhí)行一些更加細(xì)致的操作任務(wù)。2、美國(guó)空間機(jī)器人概況（a）FTS是美國(guó)最早的空間機(jī)器人研究項(xiàng)目，主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測(cè)等繁雜任務(wù)。FTS由兩個(gè)機(jī)械臂及一個(gè)定位腿組成，屬于類人機(jī)器人，機(jī)械臂可以在高靈巧系統(tǒng)中于工作空間內(nèi)無奇點(diǎn)的提供89N的力和27Nm的力矩。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，力/力矩傳感器安裝在機(jī)械臂末端，工作于遙操作模式下。(b)Skyworker由卡耐基-梅隆大學(xué)研制，屬于附著移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人借助于所在支撐平臺(tái)的反作用力，移動(dòng)并操縱各種載荷進(jìn)行工作。當(dāng)承載載荷較大時(shí)，采用連續(xù)的步態(tài)保持負(fù)載勻速運(yùn)動(dòng)，避免每一步均進(jìn)行加減速。這種工作方式可以在反作用力最小的情況下使得能量利用率更高，是一種能夠?qū)Υ罂臻g結(jié)構(gòu)自主裝配、監(jiān)測(cè)和維修的低成本機(jī)器人。Ranger

TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項(xiàng)目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所示。（c）Ranger

TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)，項(xiàng)目開始于1992年，是一具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目。（d）Robonaut是NASA開發(fā)的空間類人機(jī)器人，它是一個(gè)多自由度靈巧機(jī)器人，主要是作為助手與航天員一起工作并執(zhí)行日常維修任務(wù)?！败壍揽燔嚒庇?jì)劃是在1999年公布的，主要用于開發(fā)研究未來空間在軌補(bǔ)給和修復(fù)、重構(gòu)等技術(shù)，實(shí)驗(yàn)修復(fù)衛(wèi)星，進(jìn)行各類儀器的太空試驗(yàn)，并利用在軌飛行演示與驗(yàn)證。3、德國(guó)空間機(jī)器人概況（a）ROTEX項(xiàng)目于1986年開始，是一個(gè)小型六軸機(jī)器系統(tǒng)，1993年在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行演示，執(zhí)行了抓取物體、機(jī)械裝配及拔插電插頭等多個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，是世界上首例具有地面遙操作功能的空間機(jī)器人。(b)ESS項(xiàng)目是為GEO軌道通信衛(wèi)星進(jìn)行服務(wù)的，其主要是將ROTEX中已經(jīng)驗(yàn)證的遙操作思想用于自由空間環(huán)境中執(zhí)行衛(wèi)星服務(wù)。(c)ROKVISS由一個(gè)兩關(guān)節(jié)機(jī)器人及相關(guān)輔助設(shè)備共同組成，主要用于驗(yàn)證機(jī)械臂的功能。它于2004年跟隨俄羅斯進(jìn)步號(hào)宇宙飛船發(fā)射升空，然后在ISS上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。（d）TECSAS項(xiàng)目是2003年德國(guó)宇航中心資助研究的，該項(xiàng)目計(jì)劃采用目標(biāo)衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，其中機(jī)械臂和手抓取系統(tǒng)安裝在跟蹤衛(wèi)星上，能夠?qū)臻g設(shè)備維修及服務(wù)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵的技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Ranger

TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項(xiàng)目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所示。4、日本空間機(jī)器人概況（a）MFD系統(tǒng)為日本的第一個(gè)空間機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在1997年于發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上成功進(jìn)行了演示實(shí)驗(yàn)。其主要作用為：(1)對(duì)空間機(jī)械臂性能進(jìn)行評(píng)估；(2)對(duì)空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)人機(jī)接口的性能進(jìn)行評(píng)估；(3)采用機(jī)械臂對(duì)ORU的安裝與卸載、門的開及關(guān)等能力進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)；(4)對(duì)地面遙操作進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)等。

（b）ETS-VII是世界上第一個(gè)真正的自由飛行空間機(jī)器人系統(tǒng)，1997年發(fā)射升空。其主要目的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)：一是兩顆衛(wèi)星的交會(huì)對(duì)接實(shí)驗(yàn)；二是對(duì)空間機(jī)器人做各種操作實(shí)驗(yàn)。ETS-VII空間機(jī)器人具有6自由度；長(zhǎng)2.4

m，重約150

kg；第一關(guān)節(jié)與最后關(guān)節(jié)處分別安裝有一個(gè)相機(jī)。Ranger

TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項(xiàng)目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所示。（c）JEMRMS是用于空間操作的機(jī)器人系統(tǒng)，NASDA負(fù)責(zé)研制。該機(jī)器人由主臂和小臂SFA串聯(lián)組成，主臂長(zhǎng)約10

m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)和2個(gè)臂桿組成；小臂長(zhǎng)約2

m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)、2根臂桿以及一個(gè)末端效應(yīng)器組成。宇航員執(zhí)行任務(wù)時(shí)可以借助于這兩個(gè)臂桿進(jìn)行更多的操作，圖為JEMRMS搬運(yùn)有效載荷的過程。Ranger

TFX是一種靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項(xiàng)目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機(jī)器人。當(dāng)時(shí)主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)的RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所示。5、我國(guó)空間機(jī)器人概況我國(guó)的空間機(jī)器人的研究起步較晚，國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域演示項(xiàng)目——“艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)”

EMR，屬于一套能夠執(zhí)行行走與操作能力的艙外空間機(jī)器人系統(tǒng)，這種移動(dòng)機(jī)器人可以執(zhí)行擰螺絲、插拔插頭及抓拿漂浮物等精細(xì)操作；而且該空間機(jī)器人可以利用預(yù)先輸入的操作指令以及空間站遙控，執(zhí)行對(duì)空間站的裝配、檢測(cè)與維修任務(wù)并承擔(dān)照看及維護(hù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)等服務(wù)的工作。

二、空間機(jī)器人的概述1、空間機(jī)器人的定義一般機(jī)器人應(yīng)具備四要素：上肢：機(jī)械臂、機(jī)械手，能抓舉、搬運(yùn)物體下肢：腿或輪子，能走歩、轉(zhuǎn)向或移動(dòng)腦和神經(jīng)中樞：信息存儲(chǔ)裝置和運(yùn)算裝置或電腦，能進(jìn)行分析、比較、判斷與決策感知器官：視覺、觸覺、聽覺、嗅覺等傳感器，能敏感溫度、硬度、重量、距離、方位、形狀和大小等

空間機(jī)器人：一種在航天器或空間站上作業(yè)的具有智能的通用機(jī)械系統(tǒng)。太空機(jī)器人具有機(jī)械臂和電腦，能實(shí)現(xiàn)感知、推理和決策等功能，可以象人一樣在事先未知的空間環(huán)境下完成各種任務(wù)。

2、空間機(jī)器人的工作條件空間機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射、照明條件差的空間環(huán)境下。在失重條件下物體處于漂浮狀態(tài)，給太空機(jī)器人操作帶來種種困難，空間視覺識(shí)別以及視覺與手爪的配合較地面更困難。由于空間機(jī)器人在空間微重力的環(huán)境下工作，因此當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)載體產(chǎn)生反作用力和力矩，從而改變載體的位置和姿態(tài)，即空間機(jī)器人的機(jī)械臂和載體之間存在著運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)耦合問題。如果不考慮這種力學(xué)耦合問題，而依然采用地面固定基座機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，空間機(jī)器人就無法完成預(yù)定的操作任務(wù)。所以研究空間機(jī)器人，首先要解決的是如何考慮這種因素，建立相互作用的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)控制算法。

空間機(jī)器人的基體（衛(wèi)星）不是固定的，而是在太空中處于自由飛行或浮游狀態(tài)，三、空間機(jī)器人的特點(diǎn)和分類1、空間機(jī)器人的特點(diǎn)高真空對(duì)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(rùn)滑方式，如干潤(rùn)滑等；更適宜無刷直流電動(dòng)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(cè)等。微重力或無重力對(duì)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(dòng)力學(xué)效應(yīng)改變，加速度平滑，運(yùn)動(dòng)速度極低，啟動(dòng)平滑，機(jī)器人關(guān)機(jī)脆弱，傳動(dòng)率要求極高。極強(qiáng)輻射對(duì)空間機(jī)器人的要求

在空間站內(nèi)的輻射總劑量為10000Gy/a，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)。距離遙遠(yuǎn)對(duì)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(duì)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(jiǎn)單工作也需要比無時(shí)延情況下長(zhǎng)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(dòng)—等待”的階段工作方式。真空溫差大對(duì)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(duì)流散熱，在空間站內(nèi)部的溫差為-120～60℃，在月球環(huán)境中的溫差為-230～130℃，在火星環(huán)境中的溫差為-130～20℃。在這樣的溫差環(huán)境中工作的空間機(jī)器人需要多層隔熱、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)。2、空間機(jī)器人的分類根據(jù)空間機(jī)器人所處的位置來劃分：低軌道空間機(jī)器人

離地面300～500km高的地球旋轉(zhuǎn)軌道。靜止軌道空間機(jī)器人

離地面約36000km的靜止衛(wèi)星用軌道。月球空間機(jī)器人

在月球表面進(jìn)行勘探工作。行星空間機(jī)器人

主要指對(duì)火星、金星、木星等行星進(jìn)行探測(cè)。根據(jù)航天飛機(jī)艙內(nèi)外來劃分：艙內(nèi)活動(dòng)機(jī)器人艙外活動(dòng)機(jī)器人根據(jù)人的操作位置來劃分：地上操縱機(jī)器人

從地面站控制操作。艙內(nèi)操縱機(jī)器人

從航天飛機(jī)內(nèi)部通過直視或操作臺(tái)

進(jìn)行控制操作。艙外操縱機(jī)器人

艙外控制操作。根據(jù)功能和形式來劃分：自由飛行空間機(jī)器人機(jī)器人衛(wèi)星空間實(shí)驗(yàn)用機(jī)器人火星勘探機(jī)器人行星勘探機(jī)器人根據(jù)控制方式來劃分：主從式遙控機(jī)械手

主從式遙控機(jī)械手由主手和從手組成。從手的動(dòng)作完全由操作人員通過主手進(jìn)行控制。這種遙控機(jī)械手具有嚴(yán)重的缺點(diǎn)：操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大；在進(jìn)行操作時(shí)，由于控制信號(hào)的時(shí)延帶來不穩(wěn)定性。主從式遙控機(jī)械手已經(jīng)為遙控機(jī)器人所取代。這種機(jī)械手也有優(yōu)點(diǎn)，在宇宙飛船、空間站外部空間距離近的地方仍可以利用其反應(yīng)快、觸覺真實(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間較短的操作。遙控機(jī)器人

遙控機(jī)器人是將遙控機(jī)