空間機器人的若干前沿領域:研究進展和關鍵技術

戴振東(南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所，南京210016)

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空間機器人的若干前沿領域:研究進展和關鍵技術

戴振東
(南京航空航天大學仿生結構與材料防護研究所，南京210016)

摘要:基于空間環境和在軌任務的特殊性導致的空間機器人不同于地面機器人的特點，討論了面向航天產業的核心技術路線圖的確定方法，論述了航天員心理陪護機器人的要求和研究方法，重點分析了非合作目標捕獲過程面臨的非線性碰撞接觸動力學等前沿科學問題和沖擊載荷下空間漂浮系統的穩定控制等關鍵技術；并針對未來空間裝備巨型化趨勢，介紹了大型機械臂研制、多機器人協調和大延遲下對機器人系統智能化的研究進展。

關鍵詞:在軌服務；非合作目標捕獲；航天機器人；航天員陪護；多機器人協調

1　引言

空間機器人是為適應航天任務的變化而發展起來的，涉及空間站建設維護、在軌服務、航天員作業輔助到對非合作目標作業的各個方面[1-2]。1992年我國啟動了載人航天工程，已成功實現5次無人飛船飛行和5次載人飛行，掌握了載人天地往返、航天員出艙活動和空間交會對接相關的核心技術，奠定了空間站建造的基礎能力。2010 年9月國家批準載人空間站工程，隨著工程的進展，未來空間站檢測維護、航天員作業輔助等任務，對空間機器人提出了新的技術需求[3]。此外，隨著我國高價值航天器的發射、在軌運行，受燃料耗盡、空間碎片和故障等的影響，這些空間資產的維護和能力保障必將成為提高航天效率、保障航天器能力的重要議題。在軌服務技術可提高航天器運行可靠性，降低總體研制運行成本；利用在軌維修代替整星替換，提高航天器研制效率；在軌制造、組裝技術實現航天器的優化設計；空間碎片移除、輔助離軌、在軌維修等商業應用；促進航天器研制變革；牽引帶動多學科、新技術發展。本文結合我們的工作和思考，回顧空間機器人在載人航天、在軌服務等方面的研究進展和面臨的問題。

2　關鍵技術的提出和確立

正確地提出問題，是解決問題的最重要一步。NASA提出了一套確定未來人類太空探索任務的技術路線圖方法[4]，值得關注。以制定“環境控制和生命保障系統”(Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS)路線圖為例，系統目標是增強國際空間站(ISS)的長期作業能力，滿足超低地球軌道(LEO)人類探索任務。達到上述目標，需要優先發展三種基本的任務能力和技術，即短期微重力、長期微重力和長期部分重力探索任務；然后把ECLSS功能分解為三個主要功能:大氣、水和固體廢物的管理；進一步把子功能的技術需求與現有先進技術(SOA)對接，再由美國宇航局主題專家評估單個的先進技術能夠在何種程度上滿足上述三種任務的功能需求。當SOA不能滿足一個或多個任務需求時，這些有差距的方面被確定為需要優先發展的技術列入需求表，用于指導ECLSS的關鍵技術投資。有些內容作為需要探索的技術，隨時間推移，滿足這些需求的策略構成了技術發展路線圖。執行該路線圖，促進硬件和技術發展，使國際空間站的作業能力和多用途載人飛船(MPCV)的能力得到提升[4]。借鑒上述思路，對空間機器人發展的若干方面給予分析。2015年歐盟剛剛發布的Space Robot項目計劃[5]，也對研究的目標任務、單位的資質、研究基礎和計劃進度有明確的要求，體現了面向航天產業發展需求的基礎研究規劃的特點。

3　航天員陪護機器人

在航天工程中，載人航天具有特別重要的意義，一方面航天員對環境全面細致的感知、智能判斷和情感體驗具有不可替代的作用和地位。另一方面，為保障航天員的生命和健康，空間站系統也需要付出巨大的代價。在空間站上，為保障航天員安全所付出的成本非常高，同時航天員出艙作業也具有風險高、效率低、作業時間短等特點，發展航天機器人，把機器人環境敏感度低、適應性高、作業力大等特點和航天員的優勢結合，是未來空間站系統人機協同作業的一個重要發展方向。從功能角度看，航天員輔助作業機器人可分為協助、替代和陪護機器人。協助和替代航天員作業的機器人可替代航天員完成一些危險或者不能完成的任務，如艙內狹小空間內的檢測、清理等。或在航天員作業時提供必要的輔助，如輔助固定航天員，使其有更好的工作狀態，在航天員出艙作業時提供輔助的運動、材料轉運等。航天機器人在作業輔助方面的研究進展已經有相當的綜述[6-7]，本文不做重復，而側重討論已有文獻討論較少的方面—航天機器人的陪護功能。

然而狹小空間、失重、孤獨等特殊的環境，對航天員的心理健康會產生相當負面的影響，陪護機器人是針對該類問題而提出的。美國NASA研制驗證了Robonaut[8]，日本驗證了仿人機器人[9-10]的陪護方面的效果。這方面老人陪護機器人的研制經驗可以參考，如早稻田大學的菅野重樹教授歷時7年開發的TWENDY-ONE陪護機器人，歐洲在FP7計劃中開展的輕度認知障礙和獨居老年陪護機器人的研究[11]，特別是陪護的心理基礎研究。機器人可以實現目標對象與親人和朋友的影像交流、認知訓練等。Syrdal等研究了人與機器人的相互作用，在1. 5月的相處中，8個受試者報告，具有肢體行為的機器人更加友好，結果表明:盡管表達和交際能力在建立親密關系和與人的互相作用中非常重要，但一定不能忽視實時共享物理空間過程中的身體親密接觸的重要性[12]。2008年Marcel結合老人陪護需求，建立了計量、預測和解釋機器人陪護接受度的方法，研究了人和機器人的社會能力和社會存在對人快樂感知的影響。先通過一組人陪護的實驗(n =30)確定參考數據，再以機器人陪護作為第二組(n = 40)，在對比條件下，確認社會能力和社會存在與快樂感知間的相關性。結果表明，當人和陪護機器人相互作用時，機器人的社會能力和社會存在對快樂感知做出了貢獻時，被陪護者更快樂，從而得到更高的評估分[13]。該研究把機器人的社會功能和使用者的可接受度結合起來，對航天陪護機器人提出了新的研究方向。

4　非合作目標的捕獲

對非合作目標捕獲是目前國際在軌服務領域研究的熱點問題[1，14-15]。這里非合作目標通常指空間碎片、失效航天器和沒有合作意愿的航天器，本文僅討論前兩種情況。研究表明[16]，在太陽風和重力梯度等因素影響下，空間碎片和失效航天器往往會處于進動狀態，因此與工作航天器(空間機械臂或者空間機器人)間存在多維度的位置(幾何長度和角度)差異，特別是相對工作航天器的轉動使捕獲變得非常困難。因此，類似空間站對接那樣的作業幾乎無法實現，工作航天器和碎片及失效航天器間會存在相對的碰撞。

目前的捕獲方式有機械臂、繩系和微小衛星捕獲等。捕獲過程可以分為捕獲前、捕獲中和捕獲后。捕獲前的主要任務是確定被捕獲目標的幾何外形、運動參數、慣量、質心和到抓捕點的距離等參數，通常采用視覺方法；捕獲中的研究重點是工作航天器和目標航天器間的碰撞，特別是動力學和控制問題；捕獲后的主要問題是系統的穩定控制。

捕獲前的主要任務是采用非接觸方式，確定被捕獲目標的幾何外形、相對運動參數、慣量、質心和到抓捕點的距離等參數[17]。以便確定合適的捕獲位置，規劃空間機器人作業過程的路徑和軌跡[18]。Yoshida等介紹了利用動量守恒和識別算法，建立轉矩或加速度測量的慣性參數(如質量、轉動慣量和慣性積)的識別方法，并在ETSVII上驗證了算法[19]。張帆和黃攀峰報道了根據目標星和繩的主動特性，判斷抓捕目標的慣量、質心和到抓捕點的距離等參數的方法[17]。劉玉等對該領域的研究做了總結，論述了空間機械臂視覺測量技術的要點，包括對手眼關系標定、標志器識別以及相對三維位姿測量等。以加拿大機械臂為例，提出一種基于邊緣特征的標志器識別算法，實現了位姿求解，用機械臂原理樣機驗證了方法[20]。

日本利用國家太空發展署(NSADA) 1997年發射的試驗衛星七號(ETS-VII)上配置的長2 m 的6自由度機械臂，完成很多在軌機器人實驗，特別是對自由飛行衛星的捕獲[21]。Yoshida詳細回顧了自由飛行空間機器人涉及的動力學和控制問題，討論了在ETS-VII上完成的測試和驗證結果。認為ETS-VII是一個重要的里程碑，而不是最終目的，目的是用機器人開展在軌衛星的服務，組建低軌道通信衛星網絡或星座。他基于對自由飛行多體系統的運動動力學的認識，提出一種無作用力操縱，或零反力機動(ZRM)的概念，其實際可用性在ETS-VII上得到驗證，表明ZRM是一個特別有用的方法[22]。Inaba等用ETS-VII首次成功捕獲一顆自由漂浮衛星[23]，并針對機動性強、空間運動范圍大的客戶衛星的燃料加注、修理和軌道維持等在軌服務需求，在地面站和空間機器人間的通信延遲可能造成控制回路的不穩定的問題，采用在軌“機器視覺”，實現機械臂捕捉的自主作業。

捕獲過程的核心問題是工作航天器和目標航天器間的剛性體的碰撞接觸。該過程沖擊載荷大、作用時間短、存在碰撞后再次分離的可能，是復雜的非線性動力學問題。Yoshida研究了機械手捕獲過程的阻抗控制方法，其中阻抗匹配是關鍵，匹配的目標是滿足非合作衛星捕獲的需求，阻抗匹配的標準值是沖擊接觸后物體保持在目標上，或者目標反彈離開。作者用兩個機器人機械手作為沖擊的目標和被沖擊目標的運動模擬器，把該策略用于衛星捕獲操作的模擬，即把一個阻抗控制探針插入到目標的推進器錐形噴嘴，驗證了阻抗匹配的概念[24]。進一步，對姿態失控衛星的捕獲，Yoshida從角動量分布的角度，研究如何使接觸前后的基本偏差達到最小，依然采用中阻抗控制方法研究沖擊過程，接近階段使用偏置動量方法，撞擊后采用分布式動力控制方法。由此建立了成功完成捕獲操作的控制序列[25]。陳歡龍等分析了7自由度空間機械臂目標捕獲過程的動力學問題，也是把機械臂末端執行器與目標適配器導向插入過程，采用阻抗控制方法，將機械臂末端測量的反作用力和力矩轉化為位置增量，從而提高機械臂的主動柔性。結果表明，抗控制方法可減小機械臂末端作用力和關節的驅動力矩，補償機械臂位置控制的誤差，保證機械臂對目標的捕獲精度[26]。

對采用雙臂機器人實現非合作目標的捕獲問題，關注點為捕獲過程沖擊對機械臂母體的影響，通過分析捕獲前后機械臂和目標的動力學效應來解決[27-28]。在控制方面，神經網絡是一個可行的控制方法[29]。在動力學模型方面，Liu等研究柔性雙臂空間機器人捕獲目標時有效載荷的碰撞對體系動力學和控制的影響，把兩個柔性機械臂鏈等價為兩階彎曲模式的Euler-Bernoulli梁，基于拉格朗日公式建立機器人系統的動力學模型，設計了PD控制器，以便保持機器人系統在捕獲目標后的穩定性。對比了機器人系統在碰撞后有控制和沒有控制條件下系統的穩定性的演化。結果表明，沖擊對機器人系統的影響很大，狀態反饋控制能夠使機器人的基座和效應器的關節角更快地達到穩定[30]。

Abiko等[31]研究了模型不確定的情況下，自由漂浮空間機器人的自適應控制問題，這類問題是碎片和未知非合作目標捕獲中常見的問題。作者導出了一個新穎高效的空間動力學計算方法，提出一種自適應控制方法，以補償模型的不確定性。為改進性能，還提出一種綜合考慮軌跡誤差和反力的復合自適應控制方法，并通過三維數值模擬，證實了方法的有效性。

繩系是建立目標航天器和工作航天器及其母船聯系的另一種方法，預期的應用包括衛星服務、檢查空間結構、軟著陸等。被繩系的子系統設想為多體機器人，通過系繩張力控制其運動，僅在繩系的子系統的質量中心位于張緊力的延長線上時子系統才能平衡。偏離平衡時，旋轉振動的子系統由于纜索張力而相互影響，振動通過多體子系統繩系部位的動作控制系繩張力以抑制振動。該方法在繩系衛星控制的可行性已經實驗證實，實驗所需微重力環境可用自由下落實驗或者用飛機做拋物線飛行的方法獲得[32]。

5　空間站建設與多機器人作業

5. 1 新型空間機械臂系統

空間機械臂是最基礎、發展最早和最重要的空間機器人，在國際空間站建設和運營維護中發揮了不可替代的作用。在我國未來的空間站建設、運營和維護中依然會扮演重要角色。對這類機械臂系統于登云等做了很好的回顧。討論了空間機械臂的關鍵技術，包括空間生存與性能保持、空間驅動與伺服、空間建標與測量、天地協同控制與示教、地面仿真訓練與環境模擬和發展趨勢等問題[33]。2015年中國空間技術研究院總體部完成了空間站大型機械臂初樣結構臂力學環境試驗。對于深入了解空間機器人系統的力學性能、確定大型復雜空間機器人系統級試驗條件和方法具有重要意義，標志我國大型空間機械臂的研究進入國際先進行列[34]。

徐文福等[35]研究了如何確定空間機械臂的總體技術指標問題。對照NASA的程序[4]，該工作是總體設計的關鍵環節。作者從任務目標出發，結合總體約束條件，對空間機械臂的長度、末端位姿精度、末端最大運動速度、關節驅動力矩等技術指標進行論證；建立系統的多體動力學模型，分析常規和極限工況下空間機械臂的帶載操作過程的動力學行為，驗證所確定的總體技術指標。結果表明，所提出的思路和方法對于空間機械臂的設計和研制具有參考作用。

機械臂關節要求大減速比、高剛度、低重量和高效率，并具有結構緊湊，控制復雜等特點，常用諧波減速器減速，這類減速器軸心孔很小，使通過關節軸心穿過各種線纜的常用設計方案更加困難。陳少帥[36]研制了外形尺寸小、軸心孔徑較大、減速比大、傳動精度高、扭轉剛度大、壽命長的諧波減速器。采取的主要措施包括，選用合適的齒形輪廓和傳動比，優化齒輪的變位系數和齒高修形參數，對柔輪進行系統的結構分析和優化，建立剛度模型，得到剛度曲線。對加工完成的諧波減速器測定了回差和傳動精度。危清清等[37]研究了機械臂大傳動比關節的輕量化、高剛度優化設計問題，用集中參數法和剛度串聯原理，建立了復雜傳動系統關節等效剛度的計算模型，分析了各級齒輪扭轉剛度對關節總扭轉剛度的影響。石進峰等[38]研究了空間機械臂的熱防護設計問題，針對需求和單元部件的特性，設定驅動關節溫度- 22℃～+ 23℃，末端作用器溫度- 22℃～+ 30℃，手眼相機溫度-6℃～+ 3℃，在此基礎上，確定各散熱面尺寸及補償加熱功耗。考慮到系統的復雜性，用節點網絡法建立了熱平衡溫度預測的迭代方程式，確定了影響系統溫度的各因素的合理取值范圍。

5. 2 多機器人協調與控制技術

多機器人協同是在單機器人難于完成既定任務情況下的選擇，特別適用于大型結構的分布式作業，在國防、空間和其他領域已被廣泛關注。Lucas[39]總結了多機器人技術的發展趨勢，提出了多機器人的凝聚交互模型，認為短期內多機器人在國防和空間應用的主要出路是分布式和復雜系統，對研究方向和未來發展給出了預測和建議。部分航天器未來會向結構更大的方向發展，如在軌太陽能發電站、太空望遠鏡、巨型天線等大型結構，采用在軌裝配、在軌制造等方法可節省大量發射空間和費用，具有很好的發展前景。而在軌裝配制造需要空間機器人的協調作業，但多機器人作業過程可能誘發振動，在微重力和低阻尼情況下，這類振動可能引發結構破壞，因此如何控制機器人與航天器結構間保持持續的直接接觸是最大挑戰之一，基于范德華力的仿壁虎干黏附技術可望在固體間形成持續穩定的黏附接觸力，為解決該問題提供支持[7]。此外大型結構的穩定性控制也是面臨的一大難題，通常物理模型是把多機器人和航天器本體作為一個可變質量分布的組合體，該組合體系統動力學的數學模型為一組非線性偏微分方程，該方程組可轉化為一組線性時變常微分方程。方程求解中，考慮機器人的固有頻率遠高于航天器結構的值，可采用頻率差異實現解耦，然后用線性最優控制方法降低結構振動，仿真和實驗研究證明該方法是有效的[40-41]。在結構設計上，通過在連接部位引入干黏附阻尼層，也可能對振動抑制起到很好的作用。

5. 3 遙操作技術

人在回路的機器人控制方法，因為引入了人的智能，具有更高的可靠性，同時降低了對機器人自主控制的要求，成為機器人領域優先選擇的控制方法。但在航天領域，由于通信延時等往往會引發機器人控制缺失，為此大量研究針對該問題開展。Yoon等[42]為有效手動操控在軌目標，提出基于命令的空間機器人的力和運動混合遙控操作模型，開發了一種6自由度觸覺系統，其特點是對建模錯誤具有魯棒性，能夠實現操作員遠程施加力作業；并用ETS-VII機器人系統，完成了面跟蹤和釘入孔的任務；對比了主-從控制方法和力操作桿控制方法的效果，結果表明主從控制方法在從機械臂的運動方向和操作者力的方向不一致時完成接觸任務效果最佳，在面跟蹤上也一樣。在國內，宋愛國等也開展了大量出色的研究[43]。

6　結論和建議

隨著我國載人航天的發展、空間資產的增加和在軌航天器使用年限的增加，對空間機器人提出了各種迫切的需求。從國外航天強國發展的經驗看，基于任務需求的新技術必將成為我國航天機器人發展的核心競爭力，關鍵技術路線圖的提出和確立需要充分考慮發揮我國在材料、技術、裝備和管理等方面的優勢，集產業需求、研究發現和技術基礎，形成基于我國技術優勢的航天機器人技術。在航天員陪護機器人研究領域需要引入心理和神經科學的研究，從跨學科的角度尋求解決方案。在非合作目標的捕獲方面，同樣需要多學科的交互，從視覺識別，非線性沖擊接觸力學和浮動結構的動力學穩定等方面開展研究。同時對傳統的機械臂領域要進一步提高性能，優化結構，以滿足空間站建設的需要，多機器人協調作業涉及因素更多，需結合任務背景開展有目標的研究。

致謝:本文撰寫中受到各位專家的啟發，他們是:果琳麗、彭福軍、李志、王春慧等，特此感謝。

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Progress and Key Technologies in Several Frontiers of Space Robots

DAI Zhendong
(Institute of Bio-inspired Structure and Surface Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

Abstract:The special space environment and the features of on-orbit tasks make the space robot very different from the ground robots. The method to determine the roadmap of the key technologies for the space industry was discussed. The requirements and research methods of the psychological companion robot for astronauts during manned spaceflight were also discussed. The frontier issues and key technologies such as the dynamics of nonlinear impact contact during the capture of non-cooperative target and the stability control of the floating system after impact were analyzed. The future trend of space equipment is the significant increase in size. The research progress in large manipulator design，the coordination of multi-robots and the intelligent robot systems with long delay was introduced.

Key words:on-orbit servicing；capture of non-cooperative target；space robots；astronauts escort；multi-robots coordination

作者簡介:戴振東(1962 - )，男，博士，教授，研究方向為仿生結構與材料、特別是仿壁虎干黏附技術及其航天應用。E-mail:zddai@ nuaa. edu. cn

基金項目:國家自然科學基金重點項目(51435008)；基本科研業務項目(3082013NP2013502)

收稿日期:2015-11-10；修回日期:2015-12-12

中圖分類號:V11

文獻標識碼:A

文章編號:1674-5825(2016)01-0009-07