智能機(jī)器人
——未來航天探索的得力助手

王燕波，李曉琪

(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

近年來，隨著控制、信息、智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人功能越來越強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。作為“制造業(yè)皇冠上的明珠”的機(jī)器人，在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級、智能制造技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮越來越重要的作用，同時也逐步深入到人類生活服務(wù)等各個方面。無論是技術(shù)研究還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展，智能機(jī)器人都引起廣泛的關(guān)注，行業(yè)需求越來越大。對于未來人類復(fù)雜、危險、不確定的航天探索活動，智能機(jī)器人必將發(fā)揮越來越重要的作用。

1 機(jī)器人發(fā)展歷史回顧

擁有一個忠實于人類并為之服務(wù)的聰明伶俐的機(jī)器人“奴隸”自古以來都是人們的目標(biāo)。1920年捷克作家雷爾·恰佩克在小說中創(chuàng)造出了機(jī)器人(robot)一詞，原本是奴隸的意思，這成為機(jī)器人一詞的起源。其實對機(jī)器人并沒有一個完整確切的定義，而且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其近年來信息及智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機(jī)器人的定義也不斷地豐富和發(fā)展。

1954年，世界第一臺編程機(jī)器人由美國人喬治·德沃爾制造。1959年，世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人由美國人英格伯格和德沃爾制造，標(biāo)志著機(jī)器人歷史的開始。隨后，世界上第一家機(jī)器人制造工廠Unimate公司成立。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用降低了汽車工業(yè)的生產(chǎn)成本，工業(yè)機(jī)器人伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展而發(fā)展，是工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的典范，至今，汽車工業(yè)上下游仍然是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用最多的領(lǐng)域。1978年 美國Unimation公司推出通用工業(yè)機(jī)器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。

起初工業(yè)機(jī)器人功能比較單一，主要用于替代人類從事重復(fù)的、繁重的、對一致性和精度要求比較高的大批量制造業(yè)。隨著機(jī)器人傳感感知、智能識別與控制、語音識別等技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的功能更加多樣，應(yīng)用更為廣泛，開始進(jìn)入娛樂、醫(yī)療、教育、家庭等服務(wù)行業(yè)。

1999年，犬型機(jī)器人愛寶(AIBO)[1]由日本索尼公司推出，成為娛樂服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入普通家庭的開端。2002年，美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba[2]，開啟了家用服務(wù)機(jī)器人先河。它能在室內(nèi)自行規(guī)劃行進(jìn)路線完成清掃工作，自動完成充電，是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的服務(wù)機(jī)器人之一。

1987年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！彪S著智能技術(shù)的發(fā)展，未來機(jī)器人的定義應(yīng)該是機(jī)器+智能，它既有類人一樣的腦系統(tǒng)(神經(jīng)系統(tǒng))，具備智能感知、思考、分析、判斷等智能行為能力，又有像人軀干四肢一樣靈活的執(zhí)行系統(tǒng)(機(jī)器功能)完成各種復(fù)雜動作，作為人類伙伴，與人類有更好的互動，協(xié)助人類完成各種復(fù)雜的生產(chǎn)生活活動。

2 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，業(yè)界一般將機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人兩種。工業(yè)機(jī)器人是指應(yīng)用于生產(chǎn)過程和環(huán)境的機(jī)器人，主要包括人機(jī)協(xié)作機(jī)器人和工業(yè)移動機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人是指除工業(yè)機(jī)器人以外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進(jìn)機(jī)器人，主要包括個人/家用服務(wù)機(jī)器人和公共服務(wù)機(jī)器人。

近年來,雖然機(jī)器人成為廣泛關(guān)注的熱門，技術(shù)發(fā)展也很快，但是機(jī)器人還沒有像人們期望的那樣功能強(qiáng)大，應(yīng)用場合還受到諸多限制。目前，機(jī)器人主要在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用，工業(yè)領(lǐng)域也主要用于汽車工業(yè)上下游、芯片生產(chǎn)等行業(yè)。由于技術(shù)的限制，工業(yè)機(jī)器人主要從事的工作還是搬運、焊接、打磨等重復(fù)性、模式單一的工作。在服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域，主要是掃地機(jī)器人、無人機(jī)等少數(shù)機(jī)器人產(chǎn)品得到大量商業(yè)推廣和應(yīng)用。

工業(yè)機(jī)器人在工作快速性、操作精度、一致性等方面超過人類，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。但是，目前主流工業(yè)機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)笨重、缺乏本質(zhì)安全性、在線感知能力低、智能程度低、與人互動能力差、后續(xù)使用維護(hù)成本高等缺點，大大限制了機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。比如在精密裝配、多產(chǎn)品混線、柔順操作、非確定性操作等場合，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人很難發(fā)揮作用，應(yīng)用較少。因此，基于應(yīng)用需求，得益于控制、信息和智能等基本技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人正在向智能協(xié)作型機(jī)器人、機(jī)器人智能柔性制造等技術(shù)方向發(fā)展。未來協(xié)作型工業(yè)機(jī)器人將具備本質(zhì)安全、與人機(jī)交互友好、質(zhì)量小、成本低、更智能化、多感知等特點，集成如智能識別等智能功能，具備拖動示教功能，實現(xiàn)制造工藝智能柔性改變，大大降低用戶使用難度和使用成本。

服務(wù)機(jī)器人也是如此，雖然大家對智能服務(wù)機(jī)器人有很多美好的期待，由于智能等技術(shù)的限制，智能服務(wù)機(jī)器人商業(yè)應(yīng)用還比較少。機(jī)器人智能程度比較低，對于復(fù)雜多變、不確定因素多的應(yīng)用場景，機(jī)器人還達(dá)不到像人類那樣在非確定環(huán)境智能分析判斷執(zhí)行的能力。而且，機(jī)器人執(zhí)行部分效率還比較低，在大部分場合使用性價比不高。

目前，智能機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展越來越快，仿人(或仿生)是智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的終極目標(biāo)。未來智能機(jī)器人主要在人工智能、生物機(jī)械電力結(jié)合、基于生命機(jī)理的驅(qū)動與能量轉(zhuǎn)換等3大方向發(fā)展，且新技術(shù)不斷取得突破，不遠(yuǎn)的將來，智能機(jī)器人會擁有人們期望的能力。

3 空間機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 空間機(jī)器人定義

空間機(jī)器人(Space Robots)指的是用于代替或協(xié)助人類在太空中進(jìn)行科學(xué)試驗、出艙操作、空間探測等活動的特種應(yīng)用服務(wù)機(jī)器人。相對于地球表面環(huán)境，太空環(huán)境非常惡劣，充滿不確定性，航天員在空間中活動充滿危險。研發(fā)功能強(qiáng)大、操作靈活、具備高度智能的空間機(jī)器人協(xié)助人類探索太空，是助推航天事業(yè)發(fā)展的一個重要技術(shù)領(lǐng)域。

根據(jù)不同的劃分標(biāo)準(zhǔn)和原則，空間機(jī)器人有多種分類方法。按照用途的不同，空間機(jī)器人大致可以分為在軌服務(wù)機(jī)器人和星球探測機(jī)器人兩大類。其中，在軌服務(wù)機(jī)器人分為艙內(nèi)/外服務(wù)機(jī)器人和自由飛行機(jī)器人。艙內(nèi)/外服務(wù)機(jī)器人一般是指安裝或工作于空間站，協(xié)助航天員完成各種任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)，最典型的是國際空間站的加拿大機(jī)械臂，也包括安裝在航天飛機(jī)上的大型機(jī)械臂。自由飛行機(jī)器人一般是指飛行器安裝機(jī)械臂組成用于空間在軌服務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。星球探測機(jī)器人一般是指執(zhí)行地外星體探測的機(jī)器人系統(tǒng)，如月球車、火星車等。

3.2 國外在軌服務(wù)機(jī)器人發(fā)展概況

近些年，美國、日本、加拿大、德國、歐空局等發(fā)達(dá)國家或組織開展了一系列空間機(jī)器人項目研發(fā)和空間實驗驗證。

3.2.1 美國空間機(jī)器人發(fā)展概況

20世紀(jì) 80年代，隨著美國第一個空間站的升空及新的空間站研制計劃的啟動，美國開始重視自主在軌服務(wù)的發(fā)展，其空間機(jī)器人的研究主要開展了飛行遙控機(jī)器人服務(wù)者 (Flight Telerobotic Servicer, FTS)[3]計劃、空間遙操作機(jī)器人項目(Space Telerobotics Program, STP)[4]和“軌道快車”(Orbital Express, OE)[5]計劃等項目。

1992年，NASA 啟動了 STP 項目。STP 計劃主要包括3個研究任務(wù)和應(yīng)用領(lǐng)域：行星表面考察、科學(xué)載荷維護(hù)以及在軌服務(wù)與組裝。STP計劃中，自由飛行空間機(jī)器人技術(shù)是在軌服務(wù)與組裝的研究重點之一。

“軌道快車”計劃研制了ASTRO與 Next Sat兩顆衛(wèi)星，如圖1 所示。ASTRO 裝載有燃料傳輸系統(tǒng)、軌道更換單元、對接機(jī)械臂系統(tǒng)、交會接近敏感器和捕獲系統(tǒng)，其機(jī)械臂系統(tǒng)用于鎖定 Next Sat 同時實現(xiàn)對接，或者用于向Next Sat傳輸需要更換的硬件。Next Sat 用于模擬故障衛(wèi)星。 2007 年3月 8 日，ASTRO 和 Next Sat 發(fā)射升空，成功完成了自主?？亢筒东@試驗以及燃料傳送和組件更換試驗。“軌道快車”計劃是空間機(jī)器人技術(shù)和自主在軌服務(wù)技術(shù)發(fā)展史上的重要里程碑。

圖1 “軌道快車”計劃示意圖Fig.1 Orbital Express program

Robonaut的研制工作開始于1997年，由NASA約翰遜空間研究中心(JSC)負(fù)責(zé)組織研發(fā)工作，目的是研制類人機(jī)器人航天員，協(xié)助航天員完成空間站工作，尤其是危險環(huán)境下的工作。2006年，第一代樣機(jī)Robonaut 1 研制成功。Robonaut 1的研制成功引起了通用公司(GM)興趣。2007年，JSC、GM和海洋工程局(Oceaneering)聯(lián)合開展Robonaut 2的研制，2010年完成 Robonaut2 樣機(jī)研制。2011年2月24日，Robonaut 2搭載航天飛機(jī)STS-133任務(wù)進(jìn)入國際空間站，進(jìn)行空間測試實驗。

Robonaut 2是固定基座的人形雙臂機(jī)器人，共有42個自由度。有兩只手臂，每個手臂有7個自由度，每個靈巧手有12個自由度，頭頸部有3個自由度，腰部有1個自由度。頭部裝有4個視覺攝像機(jī)，2個組成一對雙目視覺提供視覺圖像信息，2個備用。Robonaut 2嘴部周圍布有15個紅外攝像機(jī)用于深度感知。全身集成有350個各種傳感器和38個PowerPC微處理器。Robonaut 2采用了遙操作和自主控制相結(jié)合的控制模式，本體每臺造價250萬美元。

Robonaut 2是第一個進(jìn)入太空的人形機(jī)器人。未來，Robonaut 2可能會帶攀爬功能執(zhí)行更復(fù)雜的艙內(nèi)外工作，也可能裝上輪子，變成其他行星探測機(jī)器人。Robonaut 2雖然開展了空間實驗測試，但是并沒有進(jìn)行特殊空間環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，需要穿上宇航服才能適應(yīng)空間站工作環(huán)境，如圖2和圖3所示。

圖2 Robonaut 2在國際空間站進(jìn)行測試試驗Fig.2 The Robonaut 2 performs testing experiments in international space station

圖3 Robonaut 2未來發(fā)展設(shè)想Fig.3 Imaginary working scenario of Robonaut 2

3.2.2 日本空間機(jī)器人發(fā)展概況

日本于20世紀(jì) 80 年代開始了空間機(jī)器人的研究。憑借領(lǐng)先世界的機(jī)器人技術(shù)，日本空間機(jī)器人的發(fā)展始終處于世界前列，主要研究成果有日本實驗艙遙控機(jī)械手 (Japanese Experiment Module Remote Manipulator System, JEMRMS)[6]、工程實驗衛(wèi)星-7(Experimental Test Satellite-VII, ETS-VII)[7]和軌道維護(hù)系統(tǒng)(Orbital Maintena-nce System, OMS)[8]等。

20世紀(jì)90年代初，日本為國際空間站上的日本實驗艙(Japanese Experiment Module, JEM)開發(fā)了機(jī)械臂JEMRMS。JEMRM由主臂(Main Arm, MA)和小巧手(Small Fine Arm, SFA)組成，其結(jié)構(gòu)如圖4和圖5所示。MA 與 SFA 均是6自由度配置。MA 裝載了視覺裝置和末端抓取裝置，主要用來處理較大載荷以及對 SFA進(jìn)行粗略定位。SFA 的載荷包括末端工具、攝像機(jī)及力和力矩傳感器。SFA 主要用于精密操作，包括更換實驗艙外的軌道更換單元(Orbital Replacement Units, ORU)。

(a)JEMRMS空間試驗 (b)JEMRMS地面測試試驗圖4 日本JEMRMS空間機(jī)器人Fig.4 The Japanese JEMRMS space robot

圖5 日本ETS-VII空間機(jī)器人示意圖Fig.5 The Japanese ETS-VII space robot

為了實現(xiàn)全自主的空間機(jī)器人技術(shù)與交會對接技術(shù)，日本國家空間發(fā)展局(National Space Development Agency of Japan, NASDA)從1992 年開始了工程實驗衛(wèi)星-7 的研制。它包含兩顆衛(wèi)星：作為追逐者的 Hikoboshi 和作為目標(biāo)星的Orihime。Hikoboshi 攜帶的 6 自由度機(jī)械臂長約 2m，其末端位置和姿態(tài)精度分別為 10mm和1°，末端位置和姿態(tài)重復(fù)精度可達(dá) 2.5mm和 0.13°，末端最大速度為 50mm/s和5(°)/s。ETS-VII 在 1997 年發(fā)射升空，并一直工作到 1999 年 11 月。在兩年多的時間里，ETS-VII 成功完成了以下實驗：采用遙操作方式利用機(jī)械臂對 ORU 進(jìn)行更換,通過對跟蹤曲面以及螺釘?shù)牟灏尾僮黩炞C了機(jī)械臂的柔順控制以及力控制,利用機(jī)載視覺捕獲漂浮小球,雙邊的力反饋控制。ETS-VII 是世界上首顆帶有機(jī)械臂的衛(wèi)星，因此它是世界上第一個真正的自由飛行空間機(jī)器人系統(tǒng)，但是 ETS-VII 仍然是以遙操作為主，自主性能有所欠缺。

2004年，日本國家信息和通信技術(shù)研究中心(NICT)提出了軌道維護(hù)系統(tǒng)(Orbital Mainte-nance System, OMS)，以處理逐漸威脅現(xiàn)有衛(wèi)星在軌壽命的太空垃圾，如圖6所示。OMS 的主要任務(wù)為衛(wèi)星在軌監(jiān)測、維護(hù)、營救以及軌道碎片與廢棄衛(wèi)星的清理等。截至目前，該項目正處于關(guān)鍵技術(shù)研究階段，還沒有開展相應(yīng)空間演示試驗。

圖6 OMS在軌維修Fig.6 The OMS performs on-orbit maintenance

3.2.3 加拿大空間機(jī)器人發(fā)展概況

加拿大是最早將機(jī)械臂應(yīng)用于空間作業(yè)的國家。加拿大先后為航天飛機(jī)和國際空間站研制了兩代空間機(jī)械臂：航天飛機(jī)遙控機(jī)械臂系統(tǒng)(SRMS)[9]與國際空間站上的空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)(SSRMS)[10]。

SRMS 是世界上第一個實用的空間機(jī)械臂系統(tǒng)。SRMS 配置為 6 個自由度，長 15.2m，總質(zhì)量為431kg。SMRS 在移動14515kg的負(fù)載時末端速度可達(dá) 0.06m/s，最大可操作載荷可達(dá) 265810kg，其末端位置和姿態(tài)精度可達(dá)5cm和1°。SRMS在 1981 年隨哥倫比亞號航天飛機(jī)完成首次飛行，在 1993 年的哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)中取得了巨大成功，如圖7所示。

圖7 加拿大SRMSFig.7 The Canadian SRMS

SSRMS 比 SRMS 更完善、更靈活。SSRMS 配置為 7 個自由度，全部展開時長 17.6m，總質(zhì)量為1800kg，可操縱的負(fù)載高達(dá) 116000kg，其末端操作精度在空載時可達(dá) 6.4mm。

SSRMS于2002 年添加到空間站移動運輸裝置(Mobile Transporter，MT)之上。當(dāng) SSRMS 安裝在活動基座系統(tǒng)(Mobile Base System,MBS)上時，SSRMS可以支撐航天員的艙外活動，具有工具與設(shè)備的存放裝置、手腳的固定裝置以及攝像機(jī)等設(shè)備。SSRMS完成了龍飛船和天鵝號飛船與空間對接的工作，攜帶航天員完成太陽能帆板等部件的維修更換，如圖8所示。

圖8 空間站機(jī)械臂SSRMSFig.8 The SSRMS space manipulator

3.2.4 德國空間機(jī)器人發(fā)展概況

作為世界工業(yè)強(qiáng)國，德國一直注重空間機(jī)器人的研究。到目前為止，德國主要的研究項目包括：機(jī)器人技術(shù)實驗(Robot Technology Experiment on Spacelab D2-Mission, ROTEX)[11]、試驗服務(wù)衛(wèi)星(Experimental Servicing Satellite, ESS)[12]、空間系統(tǒng)演示驗證技術(shù)衛(wèi)星(Technology Satellite for Demonstration and Verification of Space Systems, TECSAS)和德國在軌服務(wù)計劃(Deutsche Orbital Servicing Mission, DEOS)等。

ROTEX 是德國在空間機(jī)器人研究進(jìn)程中的第一次嘗試。ROTEX 包含多種操作模式，不僅有在軌遙操作、地面遙操作，還包括地面離線編程操作和通過智能人機(jī)接口的在線遙操作。1993 年，ROTEX 在哥倫比亞號航天飛機(jī)的密封實驗艙中進(jìn)行了實驗，包括機(jī)械裝配、插拔各種電源接頭和抓取漂浮物體等。ROTEX 在空間微重力環(huán)境中通過遙操作捕獲了漂浮小球，這為通過遙操作進(jìn)行在軌服務(wù)開創(chuàng)了先河，如圖9所示。

圖9 ROTEX遙操作示意圖Fig.9 The tele-operation of ROTEX

為了在軌驗證空間機(jī)器人軟、硬件方面的關(guān)鍵技術(shù)，并改進(jìn)空間維修服務(wù)系統(tǒng)，德國提出了 TECSAS 計劃。TECSAS 計劃預(yù)期研制一個可接受在軌服務(wù)的目標(biāo)航天器和一個裝載有 7自由度機(jī)械臂與捕獲系統(tǒng)的服務(wù)航天器。但是由于項目的重新定位，TECSAS 于 2006 年 9 月停止，取而代之的是 DEOS 項目。DEOS 的研究重點集中在導(dǎo)航、制導(dǎo)和非合作目標(biāo)的捕獲，當(dāng)然也包括捕獲合作目標(biāo)后實施軌道機(jī)動以及拖離軌道等任務(wù)。由于經(jīng)費原因，該項目還沒有進(jìn)行空間實驗。

從20世紀(jì)80年代末起，德國宇航中心(DLR)開始研制輕型機(jī)器人臂(LWR)。第1代LWR[13]采用碳纖維材料，采用步進(jìn)電機(jī)和行星輪減速箱，總質(zhì)量為14.5kg，最大負(fù)載能力為7kg，傳動比達(dá)到1∶600。LWR第2代機(jī)械臂[14-15]共7 個自由度，布置方式為旋轉(zhuǎn)-俯仰-側(cè)擺-俯仰-旋轉(zhuǎn)-俯仰-旋轉(zhuǎn)，采用機(jī)電一體化關(guān)節(jié)設(shè)計思想，在關(guān)節(jié)內(nèi)部集成驅(qū)動、減速、制動檢測部分，結(jié)構(gòu)緊湊。機(jī)械臂質(zhì)量為17kg，最大負(fù)載能力為8kg。DLR第3代輕型臂[16]有7 個自由度，有對稱式和非對稱式布置兩種關(guān)節(jié)的構(gòu)成方式，其中非對稱式布置有利于機(jī)械臂折疊。腕關(guān)節(jié)采用球狀結(jié)構(gòu)，增加了機(jī)械臂的靈活性，如圖10所示。

圖10 DLR 研制的3 代輕型臂Fig.10 Three generations LWR of DLR

3.2.5 歐空局空間機(jī)器人發(fā)展概況

歐空局(European Space Agency, ESA)的主要空間機(jī)器人研究項目包括：歐洲機(jī)械臂(European Robotic Arm, ERA)[17]和 Jerico機(jī)械臂[18]。

ERA 原本為HERMES 計劃而研制，但后來被安裝于國際空間站的俄羅斯部分。該臂長 7m，具有 7 個自由度，兩端各有一個末端機(jī)械手，利用這兩個末端機(jī)械手可以實現(xiàn)機(jī)械臂在空間站上攀爬移動。ERA 主要用來完成國際空間站的集成與裝配、操作大小各種設(shè)備、交換各種可更換單元、監(jiān)測空間站的表面情況以及支持俄羅斯航天員的艙外活動，如圖11所示。

圖11 歐洲機(jī)械臂ERAFig.11 European Robotic Arm

Jerico 機(jī)械臂由歐空局和意大利空間局(Italian Space Agency, ISA)共同研制，Jerico 長 1.5m，具有 7 個自由度。Jerico于 1998 年發(fā)射升空并安裝在空間站的 SPEKTR 艙。

3.3 國外星際探測機(jī)器人發(fā)展概況

星球探測機(jī)器人是指能夠執(zhí)行月球、火星等地外星球表面探測任務(wù)的智能無人系統(tǒng)，可以在地外星體完成探測著陸地點、科學(xué)儀器放置、收集樣品進(jìn)行分析等各種任務(wù)。與其它用途的空間機(jī)器人相比，星球探測機(jī)器人應(yīng)具有更強(qiáng)的自主性，能夠在無人干預(yù)或較少干預(yù)的情況下獨立完成各項任務(wù)。

20世紀(jì)60年代末和70年代初，蘇聯(lián)和美國分別發(fā)展了無人月球車和有人駕駛的月球車，這些月球車的運行距離達(dá)到40km。在月球表面，要面對的特殊挑戰(zhàn)是多塵埃、低重力和接近真空的空間環(huán)境。當(dāng)時，美國的月球漫游車(LRV)和蘇聯(lián)的月球車-1(Lunokhod)的尺寸和質(zhì)量都較大，長度約2m，質(zhì)量超過700kg。蘇聯(lián)的月球車-1是世界上第一個著陸到月球表面的無人月球車，它是由1970年11月發(fā)射的月球-17 (Luna-17)探測器送到月球表面的，登月點位于北緯38° 18′、西經(jīng)35°的雨海。它行駛了10.5km，考察了約80000m2的月球表面。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，月球及行星探測的廣度和深度也不斷加大。世界主要航天大國紛紛提出新的探測計劃，美國已開始實施重返月球計劃。歐洲、日本、印度等都制定了月球和行星探測計劃。

火星探測也是航天技術(shù)發(fā)展的重要方向，目前美國處于絕對領(lǐng)先地位。美國分別在1997年、2003年、2011年發(fā)射了索杰納號、勇氣號、機(jī)遇號和好奇號火星車，開展了一系列火星探測活動與試驗，如圖12和圖13所示。

圖12 索杰納號火星車Fig.12 The Sojourner Mars vehicle

圖13 機(jī)遇號火星探測機(jī)器人Fig.13 The Opportunity Mars vehicle

好奇號火星探測器是NASA研制的一臺探測火星任務(wù)的火星車，于2011年11月發(fā)射，2012年8月成功登陸火星表面，如圖14所示。它是美國第7個火星著陸探測器、第4臺火星車，也是世界上第一輛采用核動力驅(qū)動的火星車，其使命是探尋火星上的生命元素。項目總投資26億美元，是截至2012年最昂貴的火星探測項目。

圖14 好奇號火星車Fig.14 The Curiosity Mars vehicle

3.4 中國空間機(jī)器人發(fā)展概況

中國空間機(jī)器人研究起步較晚，但是隨著中國綜合國力的增強(qiáng)和航天技術(shù)的快速發(fā)展，在空間機(jī)器人領(lǐng)域，中國也開展積極探索和研究，完成了多項空間驗證實驗，多項關(guān)鍵技術(shù)取得突破，與國際先進(jìn)水平差距逐漸縮小。

2013年中國發(fā)射了第一臺空間機(jī)械臂，并完成了一系列空間操作實驗，標(biāo)志著中國空間機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)水平行列。2016年6月25日，由中國運載火箭技術(shù)研究院主持研制的空間碎片主動清除空間機(jī)器人搭乘長征7號運載火箭進(jìn)入軌道，完成了利用空間機(jī)械臂進(jìn)行空間碎片主動清除及非合作目標(biāo)探測與抓捕實驗，取得圓滿成功。

2016年中國進(jìn)行了國際首次人機(jī)協(xié)同在軌維修技術(shù)試驗，該項試驗主要面向航天設(shè)備在軌組裝及拆卸任務(wù)，探索人機(jī)協(xié)同完成在軌維修典型作業(yè)，為空間機(jī)器人在軌服務(wù)積累經(jīng)驗。2016年10月19日，天宮二號與神舟十一號對接后，航天員與隨天宮二號發(fā)射入軌的機(jī)械手協(xié)同完成了拿電動工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學(xué)試驗，如圖15和圖16所示。該項目由哈爾濱工業(yè)大學(xué)與中國空間技術(shù)研究院、北京理工大學(xué)共同完成。

圖15 天宮二號機(jī)械臂靈巧手旋擰操作試驗Fig.15 The dexterous hand in Tiangong No.2 performs the screwing experiment

圖16 天宮二號機(jī)械臂系統(tǒng)Fig.16 The space manipulator systems in Tiangong No.2

玉兔號是中國首輛月球車，屬于星際探測機(jī)器人，和著陸器共同組成嫦娥三號探測器。玉兔號月球車設(shè)計質(zhì)量為140千克，以太陽能為能源，能夠耐受月球表面真空、強(qiáng)輻射、-180°～150°極限溫度等極端環(huán)境。玉兔號配備了全境相機(jī)、紅外成像光譜儀等多種探測儀器。移動分系統(tǒng)采用輪式、搖臂懸架方案，共有了6個輪子，具備前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及一定的爬坡越障能力。玉兔號前端安裝了一條4個自由度機(jī)械臂，可以完成月球表面近距離探測和標(biāo)本采集任務(wù)，如圖17所示。

圖17 玉兔號月球車Fig.17 The YuTu lunar vehicle

2013年12月2日1時30分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功將嫦娥三號探測器送入軌道。2013年12月15日4時35分，嫦娥三號著陸器與巡視器分離，玉兔號巡視器順利駛抵月球表面。2014年1月25日凌晨，嫦娥三號月球車進(jìn)入第二次月夜休眠。2016年7月31日晚，玉兔號月球車超額完成任務(wù)，停止工作。玉兔號預(yù)期服役3個月，超長服役兩年多，一共在月球上工作了972天，玉兔號為中國在月球上留下的第一個足跡，意義深遠(yuǎn)。

4 空間機(jī)器人未來技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展趨勢

空間機(jī)器人在原理技術(shù)上與地面機(jī)器人相同。但是，空間機(jī)器人是在空間環(huán)境中活動的，空間環(huán)境和地面環(huán)境差別很大，空間機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射、照明差的環(huán)境中，需要有很強(qiáng)的空間環(huán)境適應(yīng)性?？臻g操作任務(wù)往往是復(fù)雜不確定的，需要空間機(jī)器人具備更強(qiáng)的自主智能工作能力。

各國在空間機(jī)器人技術(shù)有了一定突破，但都處于技術(shù)實驗驗證階段。已開展空間實驗的空間在軌服務(wù)機(jī)器人，目前主要操作控制方式還是遙操作，自主智能工作能力不足，執(zhí)行還是簡單的移動抓取操作，達(dá)不到有效執(zhí)行復(fù)雜空間任務(wù)和大規(guī)模實際應(yīng)用的期望技術(shù)水平。

隨著空間領(lǐng)域技術(shù)和應(yīng)用的快速發(fā)展，未來深空探測、載人登月、空間在軌服務(wù)等空間大型工程的開展，對空間這種環(huán)境復(fù)雜危險、不確定因素多的場合，智能機(jī)器人將是人類最得力的助手。未來空間機(jī)器人不但要具有適應(yīng)空間及地外星體各類復(fù)雜環(huán)境、高可靠性等特點，還要具備在復(fù)雜多變、非確定環(huán)境中實現(xiàn)智能感知、精細(xì)操作、柔順操作、多級協(xié)同、自主決策與控制等工作能力，逐步具備完成空間在軌抓取、維修、維護(hù)、建造，以及地外星體探測與基地建造等復(fù)雜空間任務(wù)的能力。

為滿足未來航天任務(wù)需求，空間機(jī)器人還需要開展多方面關(guān)鍵技術(shù)研究，解決一系列技術(shù)與工程問題?？臻g機(jī)器人未來發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)主要包括空間環(huán)境適應(yīng)性、智能自主操作、精細(xì)操作、靈巧柔順操作、多機(jī)器人協(xié)同、多機(jī)器人智能集群、智能識別、自主智能分析決策、更高效率的驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、新型柔性軟體機(jī)器人等方面。

5 結(jié)論

智能機(jī)器人要真正強(qiáng)大并實用化，涉及到智能、機(jī)械、控制、材料、能源等各種技術(shù)的全面進(jìn)步與發(fā)展，并依托于智能、物理等基礎(chǔ)理論的突破。雖然未來充滿希望，但過程也將會曲折艱辛，并非一兩項技術(shù)突破就會產(chǎn)生突飛猛進(jìn)的飛躍。

仿人(仿生)是機(jī)器人終極發(fā)展方向，體現(xiàn)在生命系統(tǒng)和機(jī)電系統(tǒng)的融合、基于生命機(jī)理的驅(qū)動與能量轉(zhuǎn)換、基于生命機(jī)理的智能3個方面，隨著人工智能、新材料、新能源等技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人能力將越來越強(qiáng)大。

智能機(jī)器人必將廣泛應(yīng)用到人類生產(chǎn)生活的各個方面，成為人類最得力、最忠實的助手。智能機(jī)器人也必將在航天這個特殊行業(yè)發(fā)揮更重要的作用，協(xié)助人類探索浩瀚無垠的太空。

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