人類伸向深空的“手臂”

文 王 軒

空間機(jī)械臂是一類仿人類手臂構(gòu)型的空間機(jī)器人，是融合機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等科學(xué)技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著空間技術(shù)的發(fā)展和空間探索的不斷深入，空間機(jī)械臂已經(jīng)成為各國深空探測(cè)和在軌值守不可或缺的組件之一，在空間站、衛(wèi)星、深空探測(cè)車上得到了廣泛的應(yīng)用。空間機(jī)械臂的特點(diǎn)是能夠像人類的手臂一樣抓取和搬運(yùn)物體，在太空中對(duì)在軌單元進(jìn)行操作，完成諸如空間艙段搬運(yùn)與轉(zhuǎn)移、太陽能帆板輔助展開、艙段輔助對(duì)接、小衛(wèi)星捕獲、輔助宇航員出艙等多類任務(wù)，替代和協(xié)助宇航員完成多種危險(xiǎn)及無法單靠人力完成的工作，是空間環(huán)境中長(zhǎng)期值守的核心裝備，也是能夠反映一個(gè)國家科技水平的高尖端航天裝備。

目前，加拿大、美國、日本、部分歐洲國家較早地開展了空間機(jī)械臂的研究工作，并依托于國際空間站和衛(wèi)星等載體進(jìn)行了大量的在軌試驗(yàn)，積累了豐富的技術(shù)能力和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。我國近年來對(duì)航天事業(yè)的投入力度加大，空間機(jī)械臂相關(guān)技術(shù)發(fā)展也非常迅速。本文將引領(lǐng)讀者一探各國的空間機(jī)械臂發(fā)展情況，揭開空間機(jī)械臂技術(shù)的神秘面紗，來看看代替人類伸向深空的手臂為我們帶來了怎樣的科學(xué)認(rèn)知。

各顯神通的空間機(jī)械臂

空間機(jī)械臂根據(jù)自身的工作環(huán)境不同，可以分為艙外機(jī)械臂和艙內(nèi)機(jī)械臂。顧名思義，艙外機(jī)械臂就是在空間艙以外工作的機(jī)械臂，直接暴露在太空中，對(duì)外太空的在軌單元進(jìn)行操作。因此，艙外機(jī)械臂會(huì)包裹著保護(hù)層，保護(hù)結(jié)構(gòu)和電子器件不受強(qiáng)輻射、粒子束和大晝夜溫差的影響。與其相反，艙內(nèi)機(jī)械臂則在空間艙內(nèi)完成太空任務(wù)，能夠獨(dú)立或協(xié)助宇航員完成艙內(nèi)各類科學(xué)任務(wù)。

目前正在太空中服役的艙外機(jī)械臂僅有一條，那就是加拿大二號(hào)機(jī)械臂(Canadarm 2)，這條服役于國際空間站的機(jī)械臂于2001年4月19日由奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)搭載升空，在NASA航天員斯科特的幫助下，加拿大航天員克里斯將其安裝在了國際空間站上。

加拿大二號(hào)機(jī)械臂由麥克唐納德·特威勒公司制造，其正式名稱是“空間站遙控操縱系統(tǒng)”(SSRMS)。該機(jī)械臂全長(zhǎng)19米，重1.63噸，能夠?qū)崿F(xiàn)大重量物體的轉(zhuǎn)移和搬運(yùn)，在國際空間站搭建和運(yùn)行期間起到重要作用。同時(shí)多次協(xié)助宇航員實(shí)現(xiàn)艙外行走，并且利用安裝在其末端的靈巧操作器獲得了對(duì)小尺寸物體的操作能力，能夠?qū)壍郎系囊恍┛筛鼡Q單元進(jìn)行替換。

加拿大二號(hào)機(jī)械臂在太空中的運(yùn)動(dòng)指令是由地面控制中心發(fā)出的，其控制中心有兩個(gè)，包括NASA的約翰遜航天中心和魁北克的圣胡伯特加拿大航天局總部，空間機(jī)械臂通過這種遙距離的操作方式，完成著各類在軌任務(wù)。

日本工程實(shí)驗(yàn)七號(hào)衛(wèi)星（ESTVII）上搭載的空間機(jī)械臂也是艙外機(jī)械臂，是日本航天探測(cè)局于1997年11月發(fā)射。與加拿大機(jī)械臂不同的是，ESTVII作為一顆小衛(wèi)星，具有自由飛行的特征，其搭載的機(jī)械臂尺寸較小，長(zhǎng)度約2米，質(zhì)量約150千克，擁有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，手臂的末端定位精度很高，能夠達(dá)到1.3毫米，移動(dòng)速度為50毫米/秒，負(fù)載能力超過40牛頓 。

該機(jī)械臂的主要任務(wù)是驗(yàn)證空間機(jī)械臂的相關(guān)技術(shù)。利用這條機(jī)械臂，研究人員完成了目標(biāo)衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星的輔助交會(huì)對(duì)接，并測(cè)試了機(jī)械臂控制的遙操作模式和預(yù)編程模式，解決了地面與太空之間遙距離傳輸?shù)亩鄠€(gè)關(guān)鍵技術(shù)，尤其是克服了大時(shí)延對(duì)遙操作性能的影響，對(duì)空間機(jī)械臂技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。

ROKVISS是德國宇航中心（DLR）研制的一款多傳感器集成的小型空間機(jī)械臂。它的特點(diǎn)是具備多種感知能力，例如通過力/力矩傳感器感知機(jī)械臂末端的剛性和柔性受力，利用觸覺感知接觸情況，利用激光測(cè)距傳感器和立體相機(jī)實(shí)現(xiàn)位姿感知。利用ROKVISS，研究人員測(cè)試了機(jī)械臂硬件在空間粒子轟擊下的可靠性，并驗(yàn)證了機(jī)械臂能在-20℃～60℃的溫差下進(jìn)行穩(wěn)定工作。在完成了500多項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)后，ROKVISS于2015年返回地球，供研究者們研究其服役期間的老化和磨損情況。

作為艙內(nèi)空間機(jī)器人的代表，Robonaut 2當(dāng)仁不讓。Robonaut 2是一個(gè)擁有雙機(jī)械臂的仿人型空間機(jī)器人，它由美國宇航局和通用汽車公司聯(lián)合開發(fā)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)就是要替代宇航員完成太空的高危工作。Robonaunt 2依托于兩條靈巧機(jī)械臂，能夠像人類的宇航員一樣使用簡(jiǎn)單的工具，并完成空間艙內(nèi)的日常操作任務(wù)。此外，機(jī)器宇航員手臂上帶有各類接口能夠與空間艙內(nèi)的接口實(shí)現(xiàn)快速對(duì)接。相比起機(jī)器宇航員1代，Robonaunt 2每個(gè)手指有4個(gè)關(guān)節(jié)，非常接近人類的手指，在仿人程度上更高，能夠輕松實(shí)現(xiàn)與宇航員握手等動(dòng)作。

加拿大的canadarm 2機(jī)械臂正在太空中服役

不同的構(gòu)造 不同的任務(wù)

空間機(jī)械臂依靠其不同的構(gòu)型，能夠適應(yīng)種類各異的空間操作任務(wù)。以國際空間站的艙外機(jī)械臂Canadarm 2為例，由于其負(fù)載能力大，且能夠承受外太空的嚴(yán)苛環(huán)境，能夠完成許多宇航員無法完成的工作，例如進(jìn)行小衛(wèi)星捕獲、太陽能帆板展開、交會(huì)對(duì)接等等。當(dāng)然由于空間機(jī)械臂的智能化和自主化還具有局限性，有些場(chǎng)合需要配合宇航員進(jìn)行，此時(shí)機(jī)械臂的作用就是輔助宇航員到達(dá)指定目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和宇航員的交互作業(yè)。

為了使得機(jī)械臂能夠更好地完成在軌任務(wù)，需要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)積累?？臻g機(jī)械臂在軌完成各種操作，是以獲得目標(biāo)位姿為前提。對(duì)象識(shí)別和位姿獲取技術(shù)是空間機(jī)械臂的關(guān)鍵技術(shù)之一，利用該技術(shù)獲得任務(wù)目標(biāo)相對(duì)于機(jī)械臂坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，并通過算法獲得機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)太空中的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。同時(shí)，該技術(shù)還可以獲取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中障礙物和非合作目標(biāo)的位置，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中的障礙回避。

對(duì)象識(shí)別和位姿獲取技術(shù)與傳感器的應(yīng)用是分不開的。對(duì)于空間機(jī)械臂，視覺是獲取周圍環(huán)境信息和操作目標(biāo)信息的主要途徑。依托于圖像匹配算法，空間機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太空環(huán)境和自身狀態(tài)的認(rèn)知。同時(shí)結(jié)合激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)化光線等手段，使得機(jī)械臂獲取信息的手段更加豐富。此外，力傳感器和觸覺傳感器也開始在空間機(jī)械臂上得到應(yīng)用，利用六維力傳感器，可以清晰地反饋機(jī)械臂抓捕和交會(huì)過程中的受力情況，從而調(diào)整控制策略，減小沖擊力。針對(duì)捕獲自旋運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和非合作目標(biāo)時(shí)，則通過視覺引導(dǎo)、觸覺感知尋找捕獲特征并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)抓捕。

我國的研究之路

我國空間機(jī)械臂的研究起步較晚，研究工作主要集中在國內(nèi)的一些研究所和高校。中國航天科技集團(tuán)五院作為空間機(jī)械臂研究的先頭單位，帶領(lǐng)著國內(nèi)的一批研究單位和人員突破了空間機(jī)械臂發(fā)展的一個(gè)又一個(gè)難關(guān)。

2012年在珠海航展上展出了我國的空間站機(jī)械臂原型樣機(jī)，我國自主研發(fā)的空間機(jī)械臂將具有7個(gè)自由度，且具備爬行功能，長(zhǎng)度約為10米，最大負(fù)載約25噸，設(shè)計(jì)壽命10年以上，用于我國空間站的建造、維護(hù)和照料。

2015年在世界機(jī)器人大會(huì)上展出了我國自行研制的空間站機(jī)械臂樣機(jī)和采樣機(jī)械臂樣機(jī)，說明我國在面向空間站發(fā)展的同時(shí)，也將目光放遠(yuǎn)到深空探測(cè)當(dāng)中，月球和火星探測(cè)已經(jīng)納入我國航天事業(yè)發(fā)展的規(guī)劃當(dāng)中。

目前，我國已經(jīng)完成了衛(wèi)星搭載機(jī)械臂進(jìn)行相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的在軌驗(yàn)證，為我國空間站機(jī)械臂的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著我國空間實(shí)驗(yàn)室天宮二號(hào)的發(fā)射成功，大型空間機(jī)械臂研制也在加快進(jìn)行。借鑒國外成熟的技術(shù)和發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展有中國特色的空間機(jī)械臂技術(shù)具有重大的戰(zhàn)略意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展和空間探測(cè)的不斷深入，使得空間機(jī)械臂發(fā)揮著越來越重要的作用。作為航空航天領(lǐng)域的明珠，空間機(jī)械臂技術(shù)集高自主化、高智能化于一體，是一個(gè)國家核心科技能力的集中體現(xiàn)。未來的空間機(jī)械臂乃至機(jī)器人系統(tǒng)，將會(huì)在穩(wěn)定性、智能化和自主化發(fā)展的道路上不斷邁進(jìn)，滿足在太空中長(zhǎng)時(shí)間值守需求，且具備一定的自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)分析和預(yù)測(cè)能力，成為人類探索宇宙奧秘的得力助手。