第五部分機器人應(yīng)用之五-空間機器人

機器人的應(yīng)用空間機器人空間機器人的定義和發(fā)展歷程空間機器人的特點和分類空間機器人通信技術(shù)空間機器人的應(yīng)用空間機器人的定義和發(fā)展歷程定義從廣義上講，一切航天器都可以成為空間機器人，如宇宙飛船、航天飛機、人造衛(wèi)星、空間站等。航天界對空間機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)實驗、星際探索等方面的帶有一定智能的各種機械手、探測小車等應(yīng)用設(shè)備。空間機器人所從事的工作主要包括：空間站的建設(shè)航天器的維護和修理空間生產(chǎn)和科學(xué)實驗星球探測世界上第一顆人造地球衛(wèi)星空間機器人正在維修人造衛(wèi)星空間機器人的發(fā)展歷程空間機器人的發(fā)展歷程在不同國家是不同的。1空間機器人在美國的發(fā)展1962年美國使用專用機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行了分析，以尋找生命跡象。20世紀70年代初，美國提出在空間飛行中應(yīng)用機器人系統(tǒng)的概念，并且在航天飛機上予以實施。機遇號：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：11.11發(fā)射，12.8火星耗費：25億美金2空間機器人在加拿大的發(fā)展加拿大航天局在空間機器人項目中為美國航天飛機設(shè)計遙控機械臂（RMS）。加拿大同時開展的項目還有針對空間站研制的MSC，即具有雙臂靈巧操作手的可移動作業(yè)中心。加拿大臂Dextre3空間機器人在日本的發(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械手。主要用于完成外艙、補給艙的組裝、支持加壓艙內(nèi)宇航員完成各種實驗任務(wù)、更換實驗儀器、維修實驗設(shè)備、更換和處理實驗材料等。日本東芝公司研制的火星探測機器人2013年8月前往國際空間站4空間機器人在俄羅斯的發(fā)展20世紀60年代，美蘇兩國在空間機器人的研究方面各顯其能，不相上下。但是到了20世紀70年代，美國放慢了空間機器人的研究步伐，而前蘇聯(lián)則一如既往，對空間機器人的研究有增無減。前蘇聯(lián)利用空間機器人協(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)濟發(fā)生了困難，對空間機器人的研究有所放慢。玉兔號2013年12月，超期7個月空間機器人的特點和分類空間機器人的特點1高真空對空間機器人設(shè)計的要求在高真空環(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進行電交換；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器人的設(shè)計要求微重力的環(huán)境要求所有的物體都需固定，動力學(xué)效應(yīng)改變，加速度平滑，運動速度極低，啟動平滑，機器人關(guān)機脆弱，傳動率要求極高。3極強輻射對空間機器人的要求在空間站內(nèi)的輻射強，并存在質(zhì)子和重粒子。強輻射使得材料壽命縮短，電子器件需要保護及特殊的硬化技術(shù)。4距離遙遠對空間機器人的設(shè)計要求空間機器人離地面控制站的距離遙遠，傳輸控制指令的通信將發(fā)生延遲（稱為時延）。時延對空間機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。同時在存在時延的情況下，即使操作者完成簡單工作也需要比無時延情況下長得多的時間，只是由于操作者為避免系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須采取“運動—等待”的階段工作方式。5真空溫差大對空間機器人設(shè)計的要求在真空環(huán)境下，不能利用對流散熱，在空間站內(nèi)部的溫差為-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)境對空間機器人設(shè)計所提出的要求外，空間機器人還具有如下特點：可靠性和安全性要求高機載質(zhì)量有限且成本昂貴機載電源和能量有限空間機器人的應(yīng)用探測空間機器人探測空間機器人主要用于對空間星體進行科學(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。目前，人類所從事的最成功的空間探測是火星探測，并且研制并實際使用了多種火星探測空間機器人。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器人，特別是著陸于火星表面的航天器?；鹦翘綔y空間機器人“海盜號”火星探測空間機器人“機遇號”火星探測空間機器人“勇氣號”火星探測空間機器人“鳳凰號”火星探測空間機器人“勇氣號”火星探測空間機器人的主要結(jié)構(gòu)“勇氣號”火星探測空間機器人的主要結(jié)構(gòu)包括：機體：機體是一層堅硬的外壁，它能起到保護機器人的計算機、電子系統(tǒng)和電池的作用。因此，機體保護了機器人的主要器官并實現(xiàn)了溫度控制。熱電子盒WEB控制系統(tǒng)：機器人的計算機安裝在機體內(nèi)一個稱為機器人電子模塊的里面。主計算機與機器人的設(shè)備和傳感器通過總線來交換數(shù)據(jù)。機器人的輪子：機器人有6個輪子，每個輪子有自己獨立的電動機。它的2個前輪和2個后輪還有獨立的轉(zhuǎn)向發(fā)動機?？茖W(xué)儀器：科學(xué)儀器主要包括：磁體排列\(zhòng)微型熱輻射分光計、穆斯堡爾譜分光計、射線粒子X射線分光儀、磨石工具等。機器人的攝像機：“勇氣號”機器人有9個攝像機。包括：避障攝像機（4個）、導(dǎo)航攝像機（2個）、科學(xué)探測全景攝像機（2個）、顯微鏡攝像機（1個）、測定標定對象?！坝職馓枴睓C器人上的攝像機布局機器人的“頸和頭”：在“勇氣號”機器人上看上去像頸和頭的裝置被稱為全景攝像機桅桿頭。它有兩個作用：作為裝在機器人內(nèi)部的微型熱輻射分光計潛望鏡、全景攝像機和導(dǎo)航攝像機提供一個適合的高度和視界。機器人上的“頸”和“頭”機器人的手臂：機器人的手臂也叫工具執(zhí)行裝置。該手臂具有三個關(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。裝在機器人手上的4個工具是：微型攝像機、Mossbauer譜分光計、射線粒子X射線分光儀和巖石研磨工具。機器人的手臂空間機器人航天器空間機器人的主要作用是對在軌衛(wèi)星進行外部監(jiān)視，故障診斷和維護，并可以保護己方衛(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)星年度會議上提出“護航者”的概念，即在發(fā)射一顆大衛(wèi)星時，同時從這顆大衛(wèi)星上釋放出一個小衛(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)星進行拍照。由美國空軍主要負責的實驗衛(wèi)星系統(tǒng)(XSS)微小衛(wèi)星演示驗證項目，用于演示驗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。該項目的第一顆衛(wèi)星是由波音公司負責研制的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)星計劃與位于同一軌道內(nèi)的6～7個空間物體進行自主交會，以驗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-