太空精靈
——機器人宇航員（上）

太空精靈
——機器人宇航員（上）

+ 劉進軍 編譯

人形機器人——未來戰士

機器人與人形機器人共同的特點是幫助人類完成工作或科學任務。兩者之間也有很大的區別：一般機器人只能根據邏輯程序完成簡單的任務，或指定的任務。人形機器人具備邏輯思維、形象思維能力、完美糾錯能力和快速運動能力。兩者最大的區別是：它能完全仿真人類的動作，完成高難度和極精確的工作。

人形機器人是機械、電子、計算機、通信、信息、控制、仿真、傳感、材料、攝像、聲光電、微電子、微機械等技術的交叉科學，先進技術的的結晶和典范。人形機器人的意義重大，影響深遠，有可能改變人類的思想、社會和發展。人形機器人的意義重大，影響深遠，將改變人類的思想、社會、發展、工作和生活方式。

人形機器人可廣泛應用于復雜繁瑣、危險冒險的工作，如航空航天、軍事戰場、戰車軍艦、排雷排爆、核電站、自動流水線、深海探測、災難搶險等。人形機器人最適應于人機配合工作。在人類的指揮下，它能完美完成任務，并將精確度達到極致。人形機器人能充當宇航員、飛行員、坦克手、偵察兵和敢死隊等。人形機器人最先在太空這個大舞臺創造奇跡。

在太空探索中，人類常常要冒極大的風險。人形機器人能通過靈敏的操縱，實現宇航員的工作，甚至超過宇航員的工作。機器人與人類并肩工作，探索太空的廣度和深度就大大擴大。盡管沒有生命，太空機器人已具備相當的智慧和主觀能動性。太空機器人按照人形設計，在智力、力量、耐力、運動范圍、靈活性、適應性、安全性、可靠性等方面遠遠超過宇航員。

第一代太空人形機器人，由美國宇航局約翰遜航天中心與美國國防高級研究計劃局協作開發。美國國防高級研究計劃局屬于美軍國防部，專門負責組織、管理各種先進武器研制的機構。1958年，為了應對蘇聯第一顆人造衛星的威脅和冷戰的主動權，美國成立了研制各項尖端武器的管理機關——國防高級研究計劃局。

50年來，美國國防高級研究計劃局已為美國陸海空軍、太空軍和各特種司令部研發成功了大量的先進武器系統，如無人機、太空飛機、隱形衛星、激光武器、迷幻武器、機器人戰士、互聯網控制技術、語音轉換文字技術、人造血技術、未來作戰系統、網絡中心戰系統等。美國國防高級研究計劃局為美國積累了雄厚的高科技資源，對美國、世界高技術研發做出巨大貢獻。美國國防高級研究計劃局驕傲地說：DARPA的高科技常常讓美國感到驚喜，也讓敵人感到驚訝。

2000年，美國國防高級研究計劃局開始研究人形機器人。2003年，第一代太空“人形機器人-1”完全智能化，被美軍稱為靈巧機器人。人形機器人不僅是一個智能工具，一門高科技技術，還是一個想象力豐富的藝術品。

1 ．仿真——機械手

許多具有突破性的靈巧雙手的機器人已經發展了近20年。這些機器人和機械臂能自動抓住擺弄復雜形狀的物體。有的機械臂設計了靈巧手和手指，已在空間使用，如航天飛機上的“加拿大大臂-1”、國際空間站上的“加拿大大臂-2”。“人形機器人-1”的機械手是第一個根據太空工作、太空行走的功能設計的。它的仿真度極高，最接近宇航員的手 。

“人形機器人-1”的機械手將能夠適應太空行走需要的所有動作，能夠把握、捏拿、攀爬、系繩、掛鉤、打結。腕關節的間距與人類相等，達到或超過一個人的腕關節的力量。手和手腕部分重現人類的力量，以滿足太空行走時宇航員最大的力量。

“人形機器人-1”的手由特種材料制造，可防止污染、靜電，干擾等，適應空間系統。手的內部零件由不同材料制造，可以接受極端溫度的變化。無刷電機用于確保延長在真空中的壽命。手的所有部件都使用空間潤滑劑。

機械手的自由度是指機械手的升降、伸縮、彎曲、旋轉等獨立運動方式。如果抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。“人形機器人-1”的每只機械手有14個自由度。指尖、關節、皮膚等部位有傳感器。

“人形機器人-1”的機械手

機械手的結構

機械手分為兩個部分：一個靈巧手指的操作功能，操縱或驅動一個給定的動作；一個有力的抓握功能，讓手保持一個穩定的把握。這是工具的本質特征。靈巧的手指由2個3自由度的手指和3個與拇指對捏的手指組成。抓握功能由手掌的彎曲程度和手指的自由度決定。機械手能撿起一枚繡花針，也能舉起2個人的重量。

“人形機器人-1”的手臂

2 ．自由度——機械臂

“人形機器人-1”的機械臂仿真人類的手臂設計，按照體操運動員的柔韌度和靈活性設計的。機械臂包括1個前臂電機和電子驅動器，2個自由的手腕，以及5個手指，12個自由度的手。前臂最寬10.16厘米，長20.32厘米，裝置了14個電機，12個獨立的電路板，以及所有的手的神經——傳感器線路。

機械臂的體積和設計目標是人的等效強度、人性化的范圍、耐熱性、高帶寬的動態響應、安全和運動范圍，超過人類肢體。手臂有轉動伸縮關節、機電一體化的航電密度封裝、電機、諧波驅動器、故障安全剎車和16個關節的傳感器。太空潤滑油、應變計、編碼器和絕對角位置傳感器，使先進的高密度封裝驅動器成為可能。

機械臂覆蓋了一層層的合成纖維，形成皮膚，與外界接觸和在太空極端環境溫度變化有了保障。經過溫度變化范圍為25℃～105℃的熱真空室測試，2個臂關節轉動靈活，表現良好。兩個機械臂安裝在“人形機器人-1”兩側，與胸部和頸部相應配合，下身作為臀部或腰部。一種新的潤滑油在諧波傳動技術中有重大突破，保證機械臂極為靈活、轉動和伸展。

“人形機器人-1”的身體軀干內部

“人形機器人-1”的外殼與軀干

3.終極保護——身體

“人形機器人-1”的軀干為鋁合金結構。保護性外殼蓋住鋁合金結構。結構內部相當于骨骼，為機器人肢體的延伸段。當臀部末端固定時，它有能力重新定位身體和腿。在這種情況下，臀部傳感器測量身體的外部力量。傳感器就是機器人的神經末梢。當發生接觸、碰撞時，身體外殼的三個傳感器可用于敏感報警，判斷分別撞擊是屬于內部或外部，并估計撞擊的力量和位置。

由于機械手工作空間重疊，機器人會在雜亂的環境下工作，能忍受各種傳感器的不合理使用。為了增加保護，機器人身體上覆蓋著一層貼布設計，模擬人類的皮膚。它覆蓋電線線束，同時保持對外物質性的沖擊力和破壞。軀干部分還采用了皮下泡沫填充技術，主要作用是吸收沖擊能量，同時又能測量到接觸力。身體軀干分為前、后兩部分，可以方便地打開，訪問內部電子設備。肌肉，采用樹脂真空成型工藝，具有壓力感測陣列，但不產生力量。最外一層是能在第一時間感應的干碳纖維織物——皮膚，能探測微小的感覺。

機器人外殼有兩種保護方式。首先，它隱藏脆弱的電子元件和電線束，以免構成嚴重危害。第二，它通過一個富有彈性的柔軟組合和懸浮的結構，就像人的胸腔。內臟掛在機器人的骨干上。即使有外部力量撞擊，外殼的彈性和內部的柔性可抵消大部分撞擊力。

4 ．智能化——頭部

“人形機器人-1”的頭部系統比人類簡單多了。它是個無腦兒。它的大腦不在頭部而在胸部。大腦需要思考、計算和決策。大腦在胸部也算胸有成竹。機器人的頭部主要包括2只相機“眼睛”，一個關節“脖子”等。

“人形機器人-1”的頭部

“眼睛”是2個小的彩色立體攝像機。攝像機的眼間距、視角與典型的人眼間距相匹配。攝像機可以錄像和拍照，比人類眼睛的功能強多了。攝像機最善于拍攝立體高清圖像，分辨率在1080線以上，決不會近視眼。攝像機實際上是提供給操作者的頭盔顯示器，能產生深度視覺形象。操作者可以隨意放大圖像，詳查細節。

“脖子”由一個驅動器，使用了6軸傳感器，并以人類頸部的典型速度跟蹤物體。它輕松地上下左右擺動、旋轉，甚至可以360°旋轉“脖子”，朝后能看見自己的屁股。這讓發明者自嘆不如，人類也永遠不可能模仿。

頭骨由環氧樹脂制造，可預防碰撞保護。機器人的的頸部、手臂關節分享大量的共性，并進行相同的實時控制系統的控制。機器人不需要呼吸和吃東西，所以沒有鼻子、嘴巴、呼吸系統、血液系統和消化系統等。