空間機器人匯編

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

Robotic公司于1981年研制的SRMS系統(tǒng)，該機械臂總長15.2m，由一個肩關(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)星進入恰當?shù)能壍篮途S修失效衛(wèi)星等，該機械臂還修理過哈勃太空望遠鏡。

(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械臂系統(tǒng)MSS。該系統(tǒng)主要由活動基體系統(tǒng)、空間站遙控機械臂系統(tǒng)（SSRMS）及專用靈巧機械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS由兩個臂桿組成，主要用于大型物體搬運和組裝；SPDM是SSRMS臂的靈巧手，長約3.5m，質(zhì)量約1660kg；靈巧機械臂的本體裝配在遙控機械臂系統(tǒng)的末端來執(zhí)行一些更加細致的操作任務(wù)。2、美國空間機器人概況（a）FTS是美國最早的空間機器人研究項目，主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及協(xié)助視覺監(jiān)測等繁雜任務(wù)。FTS由兩個機械臂及一個定位腿組成，屬于類人機器人，機械臂可以在高靈巧系統(tǒng)中于工作空間內(nèi)無奇點的提供89N的力和27Nm的力矩。機械臂運動結(jié)構(gòu)是對稱的，力/力矩傳感器安裝在機械臂末端，工作于遙操作模式下。(b)Skyworker由卡耐基-梅隆大學(xué)研制，屬于附著移動機器人，該機器人借助于所在支撐平臺的反作用力，移動并操縱各種載荷進行工作。當承載載荷較大時，采用連續(xù)的步態(tài)保持負載勻速運動，避免每一步均進行加減速。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)測和維修的低成本機器人。Ranger

TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務(wù)的RTSX項目，如圖3(d)所示。（c）Ranger

TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)，項目開始于1992年，是一具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務(wù)的RTSX項目。（d）Robonaut是NASA開發(fā)的空間類人機器人，它是一個多自由度靈巧機器人，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)?！败壍揽燔嚒庇媱澥窃?999年公布的，主要用于開發(fā)研究未來空間在軌補給和修復(fù)、重構(gòu)等技術(shù)，實驗修復(fù)衛(wèi)星，進行各類儀器的太空試驗，并利用在軌飛行演示與驗證。3、德國空間機器人概況（a）ROTEX項目于1986年開始，是一個小型六軸機器系統(tǒng)，1993年在哥倫比亞號航天飛機上進行了飛行演示，執(zhí)行了抓取物體、機械裝配及拔插電插頭等多個實驗任務(wù)，是世界上首例具有地面遙操作功能的空間機器人。(b)ESS項目是為GEO軌道通信衛(wèi)星進行服務(wù)的，其主要是將ROTEX中已經(jīng)驗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由一個兩關(guān)節(jié)機器人及相關(guān)輔助設(shè)備共同組成，主要用于驗證機械臂的功能。它于2004年跟隨俄羅斯進步號宇宙飛船發(fā)射升空，然后在ISS上進行飛行試驗，并進行了相關(guān)實驗驗證。（d）TECSAS項目是2003年德國宇航中心資助研究的，該項目計劃采用目標衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星進行試驗，其中機械臂和手抓取系統(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)進行實驗驗證。Ranger

TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務(wù)的RTSX項目，如圖3(d)所示。4、日本空間機器人概況（a）MFD系統(tǒng)為日本的第一個空間機械臂實驗項目，在1997年于發(fā)現(xiàn)號航天飛機上成功進行了演示實驗。其主要作用為：(1)對空間機械臂性能進行評估；(2)對空間機械臂控制系統(tǒng)人機接口的性能進行評估；(3)采用機械臂對ORU的安裝與卸載、門的開及關(guān)等能力進行演示實驗；(4)對地面遙操作進行演示實驗等。

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

m，重約150

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

TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務(wù)的RTSX項目，如圖3(d)所示。（c）JEMRMS是用于空間操作的機器人系統(tǒng)，NASDA負責(zé)研制。該機器人由主臂和小臂SFA串聯(lián)組成，主臂長約10

m，主要由6個關(guān)節(jié)和2個臂桿組成；小臂長約2

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

TFX是一種靈巧空間機器人系統(tǒng)[13]，具體如圖3(c)所示，項目開始于1992年，是一種具有自由飛行能力的空間機器人。當時主要是為了滿足哈勃望遠鏡機器人服務(wù)的要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對航天飛機進行演示任務(wù)的RTSX項目，如圖3(d)所示。5、我國空間機器人概況我國的空間機器人的研究起步較晚，國家高技術(shù)領(lǐng)域演示項目——“艙外自由移動機器人系統(tǒng)”

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

二、空間機器人的概述1、空間機器人的定義一般機器人應(yīng)具備四要素：上肢：機械臂、機械手，能抓舉、搬運物體下肢：腿或輪子，能走歩、轉(zhuǎn)向或移動腦和神經(jīng)中樞：信息存儲裝置和運算裝置或電腦，能進行分析、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械系統(tǒng)。太空機器人具有機械臂和電腦，能實現(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、空間機器人的工作條件空間機器人工作在微重力、高真空、超低溫、強輻射、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)，給太空機器人操作帶來種種困難，空間視覺識別以及視覺與手爪的配合較地面更困難。由于空間機器人在空間微重力的環(huán)境下工作，因此當機械臂運動時，會對載體產(chǎn)生反作用力和力矩，從而改變載體的位置和姿態(tài)，即空間機器人的機械臂和載體之間存在著運動學(xué)和動力學(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器人的運動控制技術(shù)，空間機器人就無法完成預(yù)定的操作任務(wù)。所以研究空間機器人，首先要解決的是如何考慮這種因素，建立相互作用的運動學(xué)、動力學(xué)模型及運動控制算法。

空間機器人的基體（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、空間機器人的特點和分類1、空間機器人的特點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。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。極強輻射對空間機器人的要求

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)。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。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、空間機器人的分類根據(jù)空間機器人所處的位置來劃分：低軌道空間機器人

離地面300～500km高的地球旋轉(zhuǎn)軌道。靜止軌道空間機器人

離地面約36000km的靜止衛(wèi)星用軌道。月球空間機器人

在月球表面進行勘探工作。行星空間機器人

主要指對火星、金星、木星等行星進行探測。根據(jù)航天飛機艙內(nèi)外來劃分：艙內(nèi)活動機器人艙外活動機器人根據(jù)人的操作位置來劃分：地上操縱機器人

從地面站控制操作。艙內(nèi)操縱機器人

從航天飛機內(nèi)部通過直視或操作臺

進行控制操作。艙外操縱機器人

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

主從式遙控機械手由主手和從手組成。從手的動作完全由操作人員通過主手進行控制。這種遙控機械手具有嚴重的缺點：操作人員的勞動強度很大；在進行操作時，由于控制信號的時延帶來不穩(wěn)定性。主從式遙控機械手已經(jīng)為遙控機器人所取代。這種機械手也有優(yōu)點，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、觸覺真實的特點進行時間較短的操作。遙控機器人

遙控機器人是將遙控機