空間機器人研究進展及技術挑戰

孟光，韓亮亮，張崇峰

1. 中國航天科技集團有限公司 空間結構與機構技術實驗室，上海 201109 2. 上海宇航系統工程研究所，上海 201109 3. 上海交通大學 機械系統與振動國家重點實驗室，上海 200240

空間機器人，作為一種典型的智能操作系統，其應用正逐漸改變航天運輸、在軌建造、在軌維護、星球探測的傳統模式，是未來無人、載人航天任務的重要使能手段之一[1-2]。在載人航天探索活動中，空間機器人擔任了載人前的探路者、載人活動中的助手、載人活動后的維護者的角色；在無人航天科學探索活動中，機器人更是有效擴展了人類的活動和操控范圍。

按照應用場景及技術特點劃分，空間機器人主要可劃分為軌道空間機器人及星表機器人兩大類型。軌道空間機器人應用方面，在空間站應用領域已實現多類機器人的工程應用及技術驗證，在軌服務領域各國也完成了若干類技術驗證。星表機器人應用方面，以星表巡視器為代表的機器人系統已成為月球、火星表面科學探測最直接有效的手段之一。通過已完成的在軌應用及驗證，空間機器人在機構構型、驅動關節、末端執行器、感知認知、行走移動、動力學與控制、人機交互與遙操作方面已取得大量實用的研制成果。隨著人類在空間探索領域的不斷深入，在軌抓捕、在軌服務與維修、在軌組裝及星球探測等空間操控任務的復雜化及新型在軌任務需求的出現，對空間機器人的發展和應用提出了新的技術挑戰。

本文綜述了國內外軌道空間機器人、星表機器人的應用進展，探討了空間機器人的技術難點與研究進展，展望了空間機器人未來的應用前景。

1 軌道空間機器人的應用現狀

自20世紀70年代空間機器人概念提出、20世紀90年代空間機器人的首次在軌驗證起，針對空間機器人技術的驗證或航天器任務的需求，至今已開展了數以百計的空間機器人系統的樣機研制或概念設計，其中有公開報道的14類(見表1)空間機器人系統完成了在軌運行任務或經歷了飛行驗證。今后幾年內，將有更多更新的空間機器人系統計劃開展航天任務或演示驗證。

表1 軌道空間機器人在軌任務匯總Table 1 Summary of on-orbit tasks of orbital space robots

1.1 國際空間站艙外工作機器人系統

國際空間站是目前空間機器人系統應用較多、較成功的領域，艙外配備了加拿大機械臂、日本實驗艙機械臂、靈巧機械手等，艙內開展了機器人宇航員等機器人驗證，形成了大中小多規格、艙內外全范圍、工程應用與技術驗證并重的立體化配置格局[3]。

航天飛機遙操作機械臂(Shuttle Remote Manipulator System,SRMS)是世界上第一個實用的空間機械臂，由加拿大MDA公司研制，因此也被稱為加拿大機械臂I(Canadarm)[4]。SRMS在1981年STS-2任務中首次被使用，1990—2002年間實現了哈勃望遠鏡的多次在軌維修，1998年實現了在國際空間站美國“團結號”節點艙與俄羅斯“曙光號”首次組裝任務(見圖1[4])。SRMS主要用于物資搬運、輔助航天員出艙活動和航天飛機在軌檢測等任務，其構型為6自由度2-1-3共線式布局，展開長度15.2 m，在軌操作載荷2 6600 kg，主要傳感器為CCTV相機，通過地面遙操作進行控制[5]。

圖1 航天飛機遙操作機械臂及其首次空間站在軌組裝任務圖[4]Fig.1 SRMS and its first space station assembly mission[4]

國際空間站移動服務系統(Mobile Servicing System,MSS)是國際空間站上最復雜的機器人系統[6]，由移動基座系統(Mobile remote servicer Base System,MBS)、空間站遙控機械臂(Space Station Remote Manipulator System,SSRMS)、末端靈巧機械手(Special Purpose Dexterous Manipulator,SPDM)及移動傳輸器(Mobile Transporter,MT)4個部分組成(見圖2)[7]。MSS的主要任務是輔助空間站在軌組裝、大型負載搬運、ORU更換、航天員艙外活動輔助、空間站輔助維修等[8]。

圖2 MMS組成示意圖[7]Fig.2 Composition diagram of MMS[7]

SSRMS機械臂于2001年由宇航員在軌安裝，7自由度3-1-3構型形式，展開長17.6 m，末端定位精度65 mm，負載116 000 kg。SSRMS配置了4臺相機，分別安裝于肘部臂桿兩端及末端兩端。機械臂兩端均安裝鎖合末端效應器(Latching End Effector,LEE)，具備“尺蠖”式的跨步移動能力，可覆蓋較大的工作范圍。

靈巧機械手SPDM于2008年發射進入國際空間站[9]，包含一個軀干和兩個機械臂，機械臂7自由度，展開長度約3 m，末端定位精度可達到13 mm；末端安裝載荷更換工具OTCM(ORU Changeout Mechanism)，可配備多種不同類型的操作工具，具備開展一些精細操作的能力[10]。2011年，NASA和加拿大航天局利用SPDM合作開展了機器人燃料加注演示任務(Robotic Refueling Mission,RRM)[11]，實驗中靈巧機械臂SPDM利用特制的RRM工具，演示全套的衛星維修和燃料加注任務(見圖3)。

圖3 機器人在軌加注任務[11]Fig.3 Robotic refueling mission[11]

日本實驗艙機械臂JEMRMS(JEM Remote Manipulator System)是安裝于國際空間站日本實驗艙的機器人系統[12]，于2009年隨JEM在軌組裝完成。JEMRMS由主臂(Main Arm,MA)、小型靈巧臂(Small Fine Arm,SFA)和控制站組成(見圖4)[13]。主臂MA展開長度10 m，6自由度，臂桿采用碳纖維加強材料，肘部及腕部配置視覺相機，末端效應器可抓取國際空間站通用抓取接口PDGF，末端定位精度50 mm，其末端工具上配置了力/力矩傳感器可用于柔順操作，主要功能為物資搬運和ORU更換。小型靈巧臂SFA展開長度2 m，6自由度，末端定位精度10 mm，相對與主臂MA可執行更靈巧的操作，主要功能為艙外暴露載荷照料。小臂工作時由主臂MA抓取接收能源和數據，并形成串聯宏微機械臂協同工作[14]。

圖4 日本實驗艙機械臂的主臂及小型靈巧臂[13]Fig.4 MA and SFA of JEMRMS[13]

1.2 國際空間站艙內工作機器人系統

作為大型、載人的航天器，空間站為空間機器人演示驗證提供了得天獨厚的先天條件，目前包括Robonaut 2、KIROBO、Skybot F-850相繼進入國際空間站開展了技術驗證。

ROKVISS項目于2004年在國際空間站ISS上進行了飛行試驗[15]。ROKVISS項目包括兩個關節、立體相機、控制器等(見圖5)。ROKVISS項目主要驗證了DLR高集成度、模塊化、輕量化關節，演示驗證了自動控制、力反饋遙操作等不同控制模式。

圖5 ROKVISS驗證平臺組成[15]Fig.5 Components of ROKVISS experimental platform[15]

2011年NASA與通用公司GM聯合研制的第二代機器人宇航員R2(Robonaut2)進入國際空間站[16]，主要開展了任務面板上操作驗證(見圖6)。R2在形體上具有頭部、頸部、軀干、雙臂、多指靈巧手等人類特征，全身共42個自由度，其中包括3自由度頸部、2個7自由度的手臂、2個12自由度的五指靈巧手以及1自由度腰部，可達到類人的工作能力；集成了視覺相機、紅外相機、六維腕力傳感器、接觸力傳感器、角度及位移傳感器等約300多個傳感器，是典型多傳感器集成的復雜系統。R2在2014年配置了雙腿，腿的末端配置扶手抓取工具(見圖7)，使之具備出艙服務移動能力[17]。

圖6 機器人宇航員R2在國際空間站[16]Fig.6 Robonaut2 in ISS[16]

圖7 升級爬行雙腿的機器人宇航員R2 [17]Fig.7 Robonaut2 upgraded by addition of two climbing legs [17]

2013年8月，日本“鸛”號貨運飛船搭載發射了小型機器人宇航員“KIROBO”(見圖8)，其身高約34 cm，重約1 kg，可以與人進行交流并且具有肢體語言，其主要任務為與國際空間站日本宇航員對話，消除宇航員在軌寂寞感[18]。

圖8 小型機器人宇航員“KIROBO”[18]Fig.8 Small robot astronaut KIROBO[18]

2019年8月，俄羅斯聯盟號飛船搭載發射人形機器人Skybot F-850至國際空間站[19]，它是FEDOR研究計劃的成果。Skybot F-850是具備四肢即雙臂雙腿的空間仿人機器人(見圖9)，具備模仿航天員作業的能力。在國際空間站約半月的測試中，F-850測試了開啟艙門、傳遞工具、模擬艙外活動等試驗。

圖9 Skybot F-850在國際空間站[19]Fig.9 Skybot F-850 in ISS[19]

1.3 中國空間站機器人系統

中國非常重視空間機器人系統的研制，在載人航天空間站規劃了大型、中型兩套空間機械臂系統，也利用載人飛行器開展了空間機器人相關技術的在軌驗證。

2016年，天宮二號機械臂系統隨“天宮二號”空間實驗室發射入軌，天宮二號機械臂系統包括6自由度輕型機械臂和五指仿人靈巧手組成的仿人型機械臂本體、在軌遙操作人機接口、全局立體視覺模塊等。在軌測試中，航天員與機械臂系統協同開展了動力學參數辨識、抓漂浮物體、與航天員握手、在軌維修等試驗(見圖10)。在軌維修驗證試驗包括拆卸電連接器、撕開多層防護、旋擰電連接器、使用電動工具擰松螺釘以及在軌遙操作等[20]。

圖10 航天員控制天宮二號機械臂[20]Fig.10 Astronauts controlling TG-2 robotic manipulator[20]

中國載人航天空間站在建造階段將配備核心艙、實驗艙機械臂兩套機器人系統(見圖11)。核心艙機械臂主要用來完成空間站艙段轉位與輔助對接、懸停飛行器捕獲與輔助對接、支持航天員EVA等，擬于2020年發射[21]；實驗艙機械臂主要用以暴露載荷照料、光學平臺照料、載荷搬運、支持航天員EVA等活動，擬于2022年發射[22]。核心艙機械臂和實驗艙機械臂展開長度分別約為10 m和5 m，最大在軌載荷分別為25 000 kg和3 000 kg，均具有7個自由度，轉動關節的配置采用“肩3+肘1+腕3”方案。肩部和腕部設置兩個末端執行器，可實現“爬行”功能。兩個機械臂可獨立工作，也可以協同工作，也可串聯組成組合臂共同完成空間站的維修維護任務。

圖11 中國空間站的核心艙[21]和實驗艙機械臂系統[22]Fig.11 Core module manipulator[21] and experimental module manipulator[22] for Chinese Space Station

1.4 在軌自由飛行空間機器人應用進展

衛星及飛行器的在軌服務與維護是空間機器人后續應用的重點方向，目前雖尚未形成大規模成熟應用，但已開展了大量的在軌試驗驗證。該類機器人多屬于自由飛行機器人的范疇。

ROTEX項目于1993年在哥倫比亞號航天飛機上進行了飛行演示[23]。ROTEX機械臂6自由度，展開長度約1 m(見圖12)，其手爪配置了六維力、觸覺陣列、激光雷達、雙目相機等傳感器，執行了桁架裝配、拔插電連接器、抓取浮動目標等試驗任務[24]。驗證了宇航員在軌遙操作、地面遙操作、基于傳感器的離線程序等操作模式。

圖12 ROTEX在軌及地面實驗室狀態[23]Fig.12 ROTEX set-up in spacelab and in laboratory[23]

如圖13所示，機械臂飛行演示驗證系統MFD(Manipulator Flight Demonstration)在1997年于“發現號”航天飛機上成功進行了演示試驗[25]。MFD機械臂6自由度、展開長度1.5 m，是日本實驗艙機械臂JEMRMS上SFA的復制品。MFD主要作用是驗證SFA性能，包括評估空間機械臂性能、評估空間機械臂控制系統人機接口的性能、ORU安裝與卸載、門的開關、地面遙操作演示試驗等。

圖13 MFD開展ORU安裝與卸載試驗[25]Fig.13 ORU detachment/attachment experiment by MFD[25]

日本工程實驗衛星ETS-VII(Engineering Test Satellite)的機器人系統具有里程碑意義[26]，于1997年發射，它是第一個艙外自由飛行空間機器人(見圖14)，具有地面遙操作和在軌自主控制的能力。ETS-VII的跟蹤星上裝有兩套機器人實驗系統，一套是NASDA研制的長2 m、6DOF的機械臂，裝有單自由度末端效應器，用于對具有標準捕獲接口的ORU等的操作[27]；另一套是MITI研制的由5DOF的機械臂和三指多傳感器末端效應器組成的先進機械手(Advanced Robot Hand,ARH)，總長為0.7 m。ETS-VII任務完成了機械臂漂浮物體抓取、ORU更換和燃料補給、視覺監測、目標星操作與捕獲等實驗[28]。

圖14 日本ETS-VII機械臂試驗載荷[26]Fig.14 Japanese ETS-VII payload for robot experiments[26]

軌道快車計劃(Orbital Express)是由DARPA組織的在軌服務體系演示計劃，于2007年實施(見圖15)。軌道快車機械臂系統由加拿大MDA公司提供，展開長度3 m，6自由度，末端配置“捕鼠夾”式末端效應器，可夾持捕獲探頭適配器PFA[29]。軌道快車項目在軌驗證了自主組件交換、燃料補給、自主交會對接任務。

圖15 軌道快車機械臂系統地面及在軌系統組成[29]Fig.15 Orbital express demonstration manipulator system ground and flight segment architecture[29]

中國運載火箭技術研究院研制了“遨龍一號”機械臂[30]，于2016年6月隨“遨龍一號”飛行器完成空間飛行演示試驗。空間機械臂具有6個自由度(見圖16)，開展了空間碎片主動清除、非合作目標探測與抓捕實驗。

圖16 “遨龍一號”空間機械臂地面樣機[30]Fig.16 Prototype of AOLONG I space manipulator[30]

2 星表空間機器人應用現狀

星表機器人目前并沒有明確的定義，一般著陸于外星球表面可以自主或遙控開展移動、操作、科學作業的探測器都可劃分在星表機器人的范疇。本文討論的星表機器人主要限定在可在星表移動、操作作業的機器人系統，如星表巡視探測器、著陸器的機械臂系統。目前成功著陸于月球及火星，成功開展巡視移動或機械臂操作作業的星表機器人如表2所示。

表2 星表空間機器人在軌任務匯總Table 2 Summary of on-orbit tasks of planetary robots

2.1 月面機器人

1970年，前蘇聯發射Luna 17探測器，其主要有效載荷為月球車1號Lunokhod 1(見圖17)。Lunokhod 1是歷史上第一輛月球車，其主要任務為月面移動勘察和月面精細探測，重756 kg，長2.94 m、寬1.96 m，8輪獨立驅動。月球車工作11個地球日，共行走10.54 km，實際運動速度為0.14 km/h，可登上30°斜坡，越過0.4 m高的障礙物和0.6 m的溝壑[31]。

圖17 月球車1號[31]Fig.17 Lunokhod 1[31]

美國NASA的阿波羅月球車Lunar Rover Vehicle(見圖18)，分別搭載在Apollo15(LRV-1)、Apollo16(LRV-2)和Apollo17(LRV-3)上，也是唯一由宇航員駕駛的月球車。LRV車長為3.1 m、輪距為1.83 m，車輪直徑0.82 m，具備2名宇航員的承載能力。LRV發射時處于折疊狀態，到月球表面后由宇航員手動安裝展開。移動系統全輪驅動、獨立轉向，移動底盤采用四套扭桿式懸架系統，多個獨立懸架通過扭桿彈簧和載荷平臺固連[32]。

圖18 阿波羅月球車[32]Fig.18 Lunar rover vehicle in Apollo Program [32]

2013年12月，中國嫦娥三號巡視器“玉兔號”成功落月并完成月面巡視探測任務。2019年1月，嫦娥四號巡視器“玉兔二號”成功落月并實現月背原位探測和巡視勘察任務(見圖19)。月面巡視器包括移動、結構與機構、制導導航與控制、綜合電子、電源、熱控、測控數傳和有效載荷共8個分系統，設計質量140 kg。移動分系統采用主副搖臂懸架方案，由車輪、搖臂和差動裝置等組成，6個車輪采用獨立驅動方式，并利用4個角輪實現轉向，具備在月面前進、后退、轉向、爬坡和越障能力[33]。移動系統最大運動速度200 m/h、爬坡角度30°、越障高度200 mm。“玉兔號”月面巡視探測器配置了3自由度機械臂。配置了全景相機、測月雷達、紅外成像光譜儀、粒子激發X射線譜儀等科學載荷[34]。

圖19 嫦娥三號及嫦娥四號月面巡視器[33]Fig.19 CE-3 and CE-4 lunar rovers[33]

2.2 火星機器人

索杰納(Sojourner)是“火星探路者”攜帶的火星巡視器，于1997年7月著陸在火星表面(見圖20)。索杰納在“火星探路者”附近100 m的范圍內進行了科學實驗[35]。索杰納重10.5 kg，體積為660 mm×480 mm×300 mm，采用6輪搖桿懸吊式結構，輪子直徑130 mm、輪寬60 mm，設計速度最大10 mm/s。角上的4個輪子有獨立的驅動和控制能力力。索杰納工作50個火星日，搜集了火星表面環境、巖石、地貌結構等數據，完成了輪壤作用、導航試驗及巡視器工程性能的驗證。

圖20 “索杰納”火星巡視探測器[35]Fig.20 Sojourner Mars exploration rover[35]

“勇氣號”(MER-A)與“機遇號”(MER-B)為一對孿生探測器，于2003年發射，2004年到達火星，科學目標和探測器結構相似(見圖21)。機遇號/勇氣號高1.5 m、寬2.3 m、長1.6 m，其質量為180.1 kg。機遇號/勇氣號繼承了索杰納六輪搖臂式結構，移動機構新增了可折疊的功能，使懸架能夠收回到四面體著陸器中。MER在堅硬平直表面上的最大速度50 mm/s，實際運行速度10 mm/s。MER配置5自由度機械臂，其主要作用是部署各種設備儀器，并且安放在火星表面[36]。

圖21 “勇氣號”和“機遇號”火星巡視探測器[36]Fig.21 Mars exploration rovers Spirit and Opportunity[36]

“好奇號”是NASA火星科學實驗室(Mars Science Laboratory,MSL)的巡視探測器(見圖22[42])，于2011年11月發射，2012年到達火星表面。“好奇號”巡視器結構機構很大程度上繼承了“勇氣號”“機遇號”，但尺寸增大，質量890 kg，極大提高了科學載荷攜帶能力[37]。MSL配置了樣本獲取、樣本處理和傳遞系統(SA/SPaH)[38]，具有強大的采樣和樣本在線處理能力，由5自由度機械臂[39]、轉臺、轉臺上的工具和科學儀器組成，可完成樣本檢測、取樣、樣本加工和樣本傳遞等動作[40-41]。能源方面MSL巡視器采用核電池供電，取消了MERs車身上的太陽能陣列板[42]。

圖22 MSL火星巡視探測器系統[42]Fig.22 MSL Mars exploration rover system[42]

上述星表巡視器主要以移動作業為主，部分巡視器配置了機械臂。機械臂是在星表開展近距離操作最直接的手段之一，一些成功著陸于星表的著陸器也配置了機械臂，用于開展表面采樣、載荷釋放、移動載荷就位探測等任務。2008年Phoenix“鳳凰號”火星著陸器在火星著陸(見圖23[43])；其上的機械臂4自由度，展開長度2.4 m，可在-90～-20 ℃的火星白晝工作，末端集成了挖掘鏟、熱量及逸出氣體分析儀TEGA、電化學和電導率分析儀MECA[44]。2018年，“洞察號”InSight火星著陸器順利著陸，其機械臂基本繼承了“鳳凰號”的方案(見圖24[45])；“洞察號”用于火星內部探測活動的兩個重要科學載荷火星地震儀SEIS及熱流與物理性質探測包HP3，均由機械臂釋放布置于火星表面[46]。

圖23 “鳳凰號”著陸器及其機械臂[43]Fig.23 Phoenix lander and its robotic arm[43]

圖24 “洞察號”火星著陸器概念圖[45]Fig.24 Concept of InSight Mars lander[45]

3 空間機器人技術難點與研究進展

空間機器人是多學科交叉融合的典型應用對象，涉及系統構型、操作機構、移動機構、驅動器件、感知測量、導航控制、運動規劃、動力學與控制、遙操作與人機交互、自主智能、地面試驗驗證等多方面的共性關鍵技術。針對具體的空間機器人及其不同的應用任務，其涉及的技術難點也各不相同；隨著后續需求和任務的復雜化，空間機器人也在現有基礎上提出了新的技術增量需求。本文主要介紹機構構型、關節驅動、抓取操作、行走移動、感知認知、動力學與控制方面的難點及研究進展。

3.1 空間機器人機構構型

機構是空間機器人的核心組成部分，其提供了滿足空間機器人系統任務功能要求的基本結構。從空間機器人發展的歷史而言，早期成熟應用的加拿大II臂SSRMS、日本實驗艙機械臂JEMRMS等可看作單機械臂形式的機構構型，其特點是：機構構型采用單臂多關節串聯結構，5～7自由度，由關節、臂桿、末端效應器等組成；在單臂機器人的應用基礎上，各國又發展了雙臂機器人，如靈巧機械手SPDM、機器人宇航員Robonaut，其特點是：機器人系統由兩條或以上機械臂組成，部分在軀干部分也設置自由度，構成擬人雙臂的特征，各個單臂一般采用7自由度冗余度機械臂具有更強的避障能力，雙臂可并行操作或協調工作，特別是雙臂機器人可完成類人的操作。目前在空間應用或驗證的機器人系統中，最復雜的機器人系統為機器人宇航員Robonaut2，具備頭部、頸部、腰部、雙臂、靈巧手等人類特征，全身共42個自由度，可達到類似宇航員的工作能力。針對后續空間機器人任務及功能需求，空間機器人在機構構型上的技術挑戰主要體現在：① 進一步增強空間機器人操作的靈巧性和精度，具備開展精細化操作的能力；② 進一步增加對大型航天器廣域工作空間的操作覆蓋能力，進一步增加對狹小空間的操作可達能力；③ 針對復雜多變、操作尺度不一的任務及多樣化的環境，機器人具備可靈活、可靠、自主地達到期望構型的能力和方法。

在針對后續非合作目標操控、復雜維修操作的規劃任務中，如Eurobot[47]、SUMO計劃[48]、FREND計劃[49]、鳳凰計劃、RSGS計劃[50]等，飛行器都配置了兩條或兩條以上的機械臂，用以滿足非合作目標抓捕、精細維修操作的任務需求，可認為多臂、多支鏈構型是復雜空間機器人構型的發展方向之一，多臂構型相較于單臂構型具有更強的柔性、魯棒性和并行性。

未來在軌維修中有大量在多障礙物復雜環境、狹小空間內搬運、維修、觀測的要求，具備大細化比、強避障能力的超冗余機械臂也是空間機器人的重要發展方向。DARPA的“鳳凰計劃”中，機器人系統包含若干條機械臂，其中有一條為超冗余機械臂，用于開展照明和觀測任務。1995年美國噴氣推進實驗室JPL研制了12自由度蛇型機器人[51]，直徑38.1 mm，全長876.3 mm，用于復雜狹小空間內的檢測、裝配和維修工作。日本國家信息和通信技術研究中心(NICT)2004年提出了在軌維修系統(Orbital Maintenance System，OMS)[52]，計劃發展用于觀測監視的新型模塊化超冗余機械臂。除了通過模塊化關節串聯疊加形成超冗余機械臂的方法之外，連續體的機械臂也可形成柔性超冗余機器人；天津大學耿仕能等以兼顧空間操作的安全性和操作精度的需求為出發點[53]，提出一種被動適應碰撞且能保證操作精度的可變剛度絲驅動連續型機械臂，以超彈鎳鈦合金絲為支撐脊椎和驅動部件的連續型機械臂具有優良的本體柔性，對接觸碰撞具有較好的被動適應性(見圖25)。

圖25 空間機器人新型構型Fig.25 Novel mechanisms for space robots

針對復雜多變、操作尺度不一的任務及多樣化操控的需求，可根據環境和任務改變拓撲結構或者末端操作器的自由度的可重構機器人，是空間機器人的可選構型與方案之一。加拿大航天局提出了一種具有可鎖定伸縮運動關節的可重構空間機器人概念[54]，其可允許機器人通過桿件長度的重構，從而使機器人根據任務具有可變的工作空間。北京空間飛行器總體設計部王康等也提出了一種基于伸縮機構的空間機械臂系統方案[55]，可同時具備發射包絡小、捕獲轉移范圍大、近距離精細化操作的特點，與傳統的固定桿長的機械臂相比，更好地滿足在軌服務的不同需求。馬里蘭大學空間系統實驗室針對空間在軌裝配、檢查及服務的需求，提出了輕質模塊化自重構機器人MORPHbots概念[56]，其利用標準的關節模塊及機器人自身驅動的雌雄同體連接接口可實現多種構型的在軌構造。Yim等提出了一種用于在軌裝配可重構機器人的設想[57]，每個機器人通過功能模塊重構獲得，可根據任務構建不周構型的單支鏈構型機器人，多個單支鏈構型機器人通過并聯又可形成多支鏈機器人構型；在NASA的支持下，研制了一種新型混合式自重構機器人SuperBot。Zhang等設計了一種自重構空間多臂機器人系統[58]，并分析了三臂自由飛行、雙腿單臂、單足單臂的三種典型構型。

此外，一些仿生構型的機器人也被設想應用于空間在軌服務與維護。南京航空航天大學戴振東和彭福軍針對空間站機器人應用，提出了仿壁虎機器人概念[59]，機器人在機構構型上仿壁虎的運動機構，腳掌上布置了仿壁虎腳底剛毛結構的黏附材料結構，地面樣機實現了在90°墻面上的爬行。北京航空航天大學徐坤等針對空間站艙上監測操作[60]，設計了一種腿臂融合的四足機器人，具有腿臂功能復用的分支，可實現行走和操作。

3.2 空間機器人關節與驅動控制

空間機器人的驅動關節等驅動器是機器人產生力和力矩以實現運動的組件，是組成機器人機構系統的基礎運動單元。對于已在軌應用的大型空間機械臂如SRMS、SSRMS等，一般由直流無刷電機、旋轉變壓器、多級行星齒輪減速箱、關節絕對位置傳感器、摩擦制動器、關節控制器等組成，每一個關節都是一個軌道可替換單元ORU，且每一個關節都包含有兩套相同的關節電子單元和電機模塊進行備份。對于中小型空間機械臂，如Robonaut、ROKVISS等，采用諧波減速器替代了行星減速器，增加了關節的被動柔性，且電機和控制器一般沒有額外備份。目前機器人宇航員Robonaut腿部關節是當前空間應用水準較高的驅動關節，其功重比100 N·m/kg、速度1.2 rad/s、工作最低溫度-20 ℃。針對空間機器人后續應用對驅動關節的需求，機器人驅動關節的技術挑戰主要體現在：① 提高驅動關節力矩感知、絕對位置感知能力；② 關節進一步輕質化，提高關節輸出功率密度；③ 提高驅動關節應對外部力時的柔順能力。

力感知柔順輕質關節方面具有代表性是DLR研制的一系列關節。德宇航的ROKVISS機器人一體化關節的柔順性通過力傳感器的反饋進行關節的阻抗控制，從而實現柔順性，關節采用模塊化設計，各個關節機構相同，ROKVISS的關節主要由直流無刷電機、位置傳感器、角度傳感器、諧波減速器、力矩傳感器、熱控開關等組成；其中電機是德宇航自主研制的直流無框式RobDrive電機，該電機結構緊湊、力矩大、質量輕，而且具有較大的中心孔，有助于機械臂各個關節的走線。減速機為日本Harmonic公司定制的分體式諧波減速機，具有大減速比、質量輕的特點。分離式三件套的結構方便集成軸承、角度傳感器等部件，使整個關節的結構更緊湊、質量輕。繼承ROKVISS關節在軌驗證的經驗，DLR研制了三代輕型機械臂(圖26)、Rollin’Justin機器人等，輕質機械臂的技術也由KUKA公司技術轉換為商用產品KUKA LWR iiwa產品[61]。

圖26 DLR輕質機械臂關節[61]Fig.26 DLR LWR arm joint[61]

以上機電一體化的機械臂關節均采用力矩傳感器來實現關節的柔順控制。通過柔順控制，可以使得機械臂像人的手臂一樣執行任務，這對安全的人機協作以及避免機械臂意外碰撞造成自身和碰撞對象的損壞具有重要意義。現有空間機械臂關節利用力傳感器信息對輸出的力/位關系進行主動控制，模擬出關節的柔順特性。但是受限于關節控制器和力矩傳感器的帶寬，該類型柔順關節對于低頻率范圍的物理接觸能夠實現低阻抗性能，但對于高頻率物理外力接觸難以達到柔順效果；提高力矩反饋元件和控制系統的增益雖然能夠一定程度上降低高頻率物理接觸時關節的剛度，但同時也會引起系統的不穩定性。Robonaunt2機器人的關節采用柔順關節，在關節的減速器和輸出軸之間安裝彈性元件-扭簧[16]，如圖27(a)所示，實現被動柔順，同時減速器輸出端和關節的輸出端都安裝有位置傳感器，結合兩個位置傳感器的差分信號和已知的扭簧剛度可以計算出關節的輸出扭矩以實現關節力矩控制。意大利技術研究所(IIT)Tsagarakis等研制的緊湊型SEA也具有典型性[62]，其通過多個線性彈簧組合實現了扭簧作用從而實現了彈性器件的小型化，如圖27 (b)所示。串聯型結構空間機器人采用被動柔順關節具有兩個優點，其一當機器人與外界有力接觸時，尤其是快速接觸或者機器人捕獲大慣量的目標時，相對于靠軟件實現的主動柔順關節，可以更有效地緩沖接觸力的沖擊；其二當機器人與宇航員協助完成任務時，無論在任何情況下被動柔順關節都可以提供柔順性，使宇航員更具有安全性。被動柔順關節在處理快速力接觸和協助安全性方面更具有優勢，是一體化關節發展的技術趨勢。德宇航已研制出基于被動柔順的變剛度機器人一體化關節，在減速器和輸出軸之間安裝彈性元件，通過改變彈性元件的狀態可以改變關節的剛度，從而使關節具有柔順性和剛性以適應不同的工況條件。DLR提出了基于凸輪原理的變剛度機器人柔順關節(見圖28)，采用凸輪結構實現柔順關節剛度的調節[63]，德國宇航中心的最新擬人機械臂David采用了該類型的變剛度關節[64]。

圖27 彈性關節中的定制力矩彈簧Fig.27 Custom torsion springs in SEA

圖28 基于凸輪原理的變剛度關節[63]Fig.28 Variable stiffness joint based on cam mechanisms[63]

3.3 空間機器人末端抓取與操作技術

作為機器人的執行器件，末端機械手是機器人實現抓取、維修、裝配的基本器件，直接決定了機械臂的先進性和智能化程度。從空間機器人末端抓取與操作的發展來看，早期的末端執行器一般以抓取操作為主，且操作目標是合作的目標適配器，如加拿大機械臂II的末端效應器LEE及目標適配器PDGF，均為執行確定任務、功能相對單一的專用末端效應器，如圖29所示。隨著空間操作任務的復雜化，具有多種功能的可切換工具及多指靈巧手也開始了在軌的演示驗證。空間機器人末端抓取與操作的技術挑戰主要體現在：① 進 一步提升對非合作目標的抓取能力；② 進一步提供多功能、精細化維修維護操作；③ 進一步提供近似人的通用化的抓取和操作能力。

加拿大機械臂II的鎖合末端效應器LEE，以三根鋼絲繩咬合的方式實現柔性捕獲，由滾珠絲杠和碟簧實現拉緊，由鎖合機構實現機械及電氣連接，末端效應器LEE及其操作接口目標適配器PDGF(Power and Data Grapple Fixture)已成為目前空間站機械臂操作的標準接口[65]。哈爾濱工業大學提出一種抱爪式機械手[66]，目標適配器為一根手桿，當機械手進入捕獲范圍后，卡爪將完成卡緊動作，將手桿壓入接納槽中實現鎖緊，完成抓取。日本航天局JAXA設計了一種小型機械臂用來在軌組裝望遠鏡反射面[67]，其肩部和腕部各有一個末端效應器，并有大、小兩種規格的目標適配器；末端效應器通過導向塊的導向作用實現對目標適配器的捕獲，捕獲完成后，通過電機帶動撐桿向左或向右運動，驅動鎖鉤向內或向外運動實現鎖合，電連接器的插合與鎖合同步完成；此外末端效應器還具有力矩輸出的功能。

SPDM的OTCM組成包括平行虎口鉗、視覺系統、力矩套筒伸縮機構、力矩套筒驅動機構等。OTCM主要用于載荷和工具的更換，可實現對H型、X型等多種接口的抓取，必要時還可進行動力/力矩傳遞。在SPDM執行的RRM任務，為SPDM設計了多種專用工具[11]，分別是鎖線剪及熱毯切割工具WCT、多功能操作工具MFT、安全螺母拆卸工具SCT以及艙外燃料加注工具ENT。4種工具中，MFT工具還可以連接4種工具接頭以完成針對不同零件的拆卸任務，分別是三級帽拆卸接頭TCA、圓形帽拆卸接頭ACA、T型閥拆卸接頭TVA和插塞操作接頭PMA。EUROBOT機器人要執行多種不同的任務[68]，設計了可更換工具的末端執行器，包括EVA把手工具、三指工具、適配器抓取工具等。

NASA研制的Robonaut手是一種可以用于國際空間站進行艙外作業的裝置，先后研制了兩代靈巧手[69]；R2靈巧手是由5根手指和1個前臂構成的一個完全自相容的單元，其中5根手指共有12個自由度，前臂提供了2個腕自由度；14個自由度驅動需要的18個直流電動機以及相應的驅動電路板封裝在前臂內。手指、拇指和手腕主要使用了3類傳感器：關節絕對位置傳感器、六維力傳感器以及腱繩張力傳感器。德國宇航中心先后研制了DLR-I手和DLR-II手[70]；DLR-II手包括4根手指，總共12個自由度，每根手指的3個獨立關節均由無刷直流電機、諧波齒輪減速器以及基關節傘錐齒輪組成；2個自由度的基關節采用差分傘錐齒輪驅動方式；該手配備先進的智能傳感器系統，擁有指尖五維力/力矩、關節位置、溫度、類似皮膚觸覺、關節扭矩、速度等傳感器。哈爾濱工業大學(簡稱“哈工大”)與德宇航合作，分別在2004年和2008年成功研制出HIT/DLR-I手[71]和HIT/DLR-II手[72]。HIT/DLR-I手使用4個相同的模塊化結構手指，每個手指具有4個關節，3個自由度，拇指另外具備一個相對于手掌和其余4指開合的自由度，共計13個自由度；HIT/DLR-II手包含5個相同的模塊化手指，共計15個自由度，采用體積小、重量輕的盤式電機驅動以及諧波減速器+齒形皮帶的傳動方式，重量約為1.5 kg，體積與普通人手相當；靈巧手在天宮二號上進行了在軌驗證，手指集成了電機位置、關節位置、關節力矩、指尖六維力/力矩、觸覺、溫度等多種傳感器，如圖30所示。

圖29 典型的機器人末端執行器Fig.29 Typical robotic end-effectors

圖30 典型的空間靈巧手Fig.30 Typical space robotic hands

3.4 空間機器人行走移動技術

移動機動能力是空間機器人的關鍵能力之一，多種移動形式可實現機器人作業及探測區域的覆蓋和可達，如機器人在行星表面的移動、行星內部孔洞的移動、大型航天器表面的移動等，本文此處主要討論行星表面及內部復雜地形的移動形式，如圖31所示[73-80]。迄今為止，只有幾種形式的移動機構成功地部署在月球及火星上，其典型形式為具備前后輪轉向能力的六輪搖臂被動懸架機構，可在低坡度(<25°)相對平坦的沙塵地形上移動，移動速度一般低于50 mm/s，可跨越車輪半徑大小的障礙物，在火星表面實現了12～20 m/h速度下百米級的自主導航移動。針對后續深空探測及載人探測任務的需求，空間機器人在行走移動的技術挑戰主要體現在：① 在極端環境條件下提供適應能力更強的懸架及移動機構實現高速度、長距離的星表移動；② 提供陡坡、深坑、熔巖管道等極端地形的進入及通過能力；③ 在有限感知、能源及計算能力的限制，星表圖像紋理不豐富、缺少前驗信息等不利條件下，提供高可靠、高實時性、高自主性的星表導航能力。

圖31 新型星表移動機構研制進展Fig.31 Research progress of some novel planetary mobility mechanisms

在移動機構方面，在當前較經典的輪式移動機構之外，各國科研機構開展了新型移動機構的研究[74]。NASA噴氣推進實驗室的樣品返回探測器SRR提出了具有4個可獨立驅動、轉向的驅動輪系及主動控制的平行四邊形連桿機構懸掛系統[81]。NASA噴氣推進實驗室(JPL)在全地形六足地外探測器ATHLETE[73]中提出了六邊形底盤、每邊配置6自由度機械腿、末端配置車輪可移動、配置末端工具可作業的復合式移動作業機構[82]。ESA月面探測車提出了可重構的移動作業機構實現了一機多用，可利用6個液壓驅動輪的構型變化可自重構為普通輪式滾動形態、多足爬行形態和機械臂工作形態。德宇航提出了模塊化可重構多機器人月面探測系統RIMRES的概念[75]，研發了四輪混合輪腿結構機器人Sherpa和蜘蛛式六足爬行機器人CREX。德國人工智能研究中心(DFKI)設計了仿黑猩猩[76]、仿螳螂的月球探測機器人[77]，可根據不同的地形選擇兩足或四足的行走模式，既能靠四肢站穩、行走，又能用前面兩條腿來操縱目標。NASA以火星探測為背景開展了多面體翻滾機器人TET的研究[83]，目前實現12重四面體機器人的樣機研制[78]。卡內基梅隆大學CMU研制了可以攀爬陡峭斜坡的繩系步行機器人Dante II[84]，八條腿可以獨立調整垂直位置來避障及適應崎嶇地形，通過使用系繩可以在陡峭斜坡上進行上升和下降。Axel是一個可以通過系繩在陡峭斜坡進行升降的雙輪繩系機器人[79]，兩個Axel可以組成DuAxel的四輪機器人。日本宇航探測中心(JAXA)曾研制過履帶式的月面移動系統[80]。通過上述研究進展可見，移動機構在當前經典多輪構型優化應用的基礎上，進一步發展了多形態仿生、輪-腿-臂復合式、變結構、可重構等新型移動機構，以進一步提高移動速度、地形適應能力等。另外由單一機器人探測發展了多機器人聯合探測的概念，以進一步增加作業的靈活性、提高探測效率。

在移動自主導航方面，制導導航與控制(GNC)需完成行星表面移動機器人的導航定姿定位、環境感知、路徑規劃、運動控制、避障和安全監測等功能，可認為是機器人移動的“大腦”。Lunokhod 1&2通過地面遙控，LRV通過人控駕駛，Sojourner具有簡單的障礙檢測和避障能力但無自主規劃能力，Opportunity和Spirit火星巡視器與嫦娥三號/四號巡視器具有短距離的自主導航能力；美國的火星巡視器Curiosity因搭載更多的傳感器的載荷，代表了星表機器人導航與控制的最高水平。嫦娥三號巡視器目前可實現避障反應時間不大于9 s、避障反應距離不小于0.5 m、自主路徑規劃范圍0.5～3 m的技術指標；嫦娥三號巡視器每到達一個位置后利于導航相機對巡視器周圍進行環拍，所成序列圖像傳回地面，由地面操作人員進行圖像拼接和三維恢復[85](見圖32和圖33)，據此進行長距離任務規劃，確定探測點。出于可靠性及安全因素等多方面考慮，好奇號或嫦娥三號月面巡視器大部分時間仍是由地面工作人員遙控操作；近年來，航天研究人員一直在探討探測效率高、自主能力強、成本低廉的可靠探測方案。

圖32 嫦娥三號巡視器拼接全景圖[85]Fig.32 Mosaic and panorama image from CE-3 lunar rover[85]

圖33 嫦娥三號DEM圖、適宜度圖和規劃路徑[85]Fig.33 DEM map, suitability map and planning path from CE-3 lunar rover[85]

在行星地貌環境自主感知方法方面，美國NASA艾姆斯研究中心Bresina等為提高索杰納號科學勘探任務的自主性[86]，建立了巡視器命令語言系統(Contingent Rover Language,CRL)，若巡視器在線科學勘探認為當前場景具有潛在價值，CRL會暫停原有探索任務，并在回傳指令中插入該“臨時突發項”供地面工作人員分析。在CRL基礎上，JPL的Castano等設計了在線自主科學考察系統(Onboard Autonomous Science Investigation System,OASIS)[87]，OASIS并不需要等待地面工作人員的指令，而是根據地貌與環境的自主分析來操控巡視器。OASIS通過利用Sober與Canny算子來檢測導航相機所采集圖像中的閉合輪廓，發展了巖石的快速識別技術[88]。在自主定位與地圖描繪方法方面，目前的星表巡視器一般以著陸地點建立全局坐標系[89]，融合車載里程計與雙目視覺測距信息解算自身全局位置；在行駛過程中，由雙目相機收集的表面圖像將回傳至地面進行光束平差(Bundle Adjustment)解算，重構行駛路徑與周邊地圖，并利用衛星采集的高分辨率圖像與重構地圖比較，進一步修正巡視器位置。由于全局地圖需要通過地面生成，無法通過巡視器實時構建，一定程度上也限制了巡視任務的靈活性。隨著機器人同時定位與地圖構建(SLAM)技術的成熟，越來越多的學者們也致力于將SLAM技術應用至火星巡視器漫游巡視任務中，如Bakambu等針對火星巡視器測試了數種SLAM算法[90]，并提出利用SLAM算法所生成的三維地貌模型設計巡視器可達域。在自主路徑規劃方法方面，美國火星巡視器建立了路徑規劃器GESTALT[91]，該系統兼顧路徑避障、最小轉向時間、最短行駛路徑，通過一種“投票”機制確定最優路徑；不少學者提出采用搜索算法進行路徑規劃，文獻[92]基于A*算法[93]，計算包括行駛距離、垂直障礙和轉向可操縱性等路徑代價；文獻[94]則采用Filed D*算法，從而使得巡視器能向任意角度行駛。

3.5 空間機器人感知與認知技術

感知和認知是空間機器人必需的功能之一。空間機器人要實現在軌操作，離不開感知系統的支持。對于目前應用的空間機器人，視覺相機是應用較成熟的傳感器，用于遙操作視覺監控、合作和非合作目標認知和測量[95]。遙操作監控視覺僅作監控使用，不作為機器人控制的直接輸入量；目前技術成熟，已在軌應用，較典型的應用為NASA的RRM計劃，RRM的每個工具上帶有兩個相機及照明系統用于為遙操作提供視頻信息。合作目標測量在目標航天器上安裝合作標志器，視覺系統通過對合作標志器的測量獲得機械手與操作對象間的相對位置和姿態，引導機械手完成要求的操作任務；目前技術也較成熟，已在軌應用，如ETS-VII、Orbital Express、SSRMS等的空間機械臂系統。對于目標模型完全已知或部分已知的非合作目標測量，目標航天器上不能安裝合作標志器，但操作對象的模型完全已知或部分已知，視覺系統直接測量機械手的操作對象，給出機械手與操作對象間的相對位置和姿態，引導機器機械手完成要求的操作任務。目前仍在技術攻關中。感知和認知的主要技術挑戰在于：① 發展新型空間機器人傳感器，提高三維感知的速度、分辨率，并有效降低傳感器的尺寸、重量及功率；② 復雜光照條件下非合作目標、自然物體的識別與位置測量；③ 復雜操作過程中力和接觸感知；④ 多傳感器的集成及數據融合。

FREND計劃驗證空間非合作目標自動抓捕的能力，其視覺測量系統由3個相機組成[96]，3個相機具有冗余備份功能，當測量目標在一個相機中成像效果差時，另外兩個相機仍可構成雙目立體視覺實現相對位姿測量，如果目標在3個相機中均正常成像，則可通過信息冗余提高測量精度；FREND機械臂的測量范圍為20 cm 以內，測量輸出頻率為5 Hz。加拿大的MDA公司在針對Envisat 衛星救援計劃提出的對接環抓捕工具上配置了多種傳感器[97]，其上的非接觸式傳感器可以判斷圓環是否進入抓捕包絡內；視覺系統有兩組，第一組為監視用視覺系統，第二組是用于自動操作的視覺系統，包括兩個相機及兩個激光發射器，可以構成兩套結構光測量系統，每個激光發射器可以發出5條點激光(見圖34)。Robonaut2的視覺系統安裝在頭部結構里，包括四部緊湊型彩色立體攝像機[98]，其中兩個攝像機的安裝與人眼布局相似，能夠為機器人和操作人員提供立體視覺，另外兩個攝像機作為備用；另外嘴部安裝有紅外TOF相機，提供景深感知，與雙目視覺形成冗余，根據不同場景應用的需要，互為補充，提高測量速度和精度(見圖35)。

圖34 MDA對接抓捕工具上的傳感器系統[97]Fig.34 Sensor system of MDA capture tool[97]

圖35 Robonaut2 頭部傳感器系統[98]Fig.35 Robonaut2 head sensor system[98]

力和觸覺的感知是空間機器人接觸控制的必需輸入，包括行星表面移動與機器人抓取操作的場合。目前應用較廣泛的是機械臂腕部的多軸力/力矩傳感器及關節內的單軸力傳感器，如MSL“好奇號”機械臂的三軸力傳感器，SS-RMS、Robonaut2的六維力傳感器(見圖36)，多軸力傳感器目前應用面臨的主要問題是如何提高在空間真空環境中的可靠性和長壽命的問題。另外，測量抓取過程的接觸力是目前空間力感知的一個重要方向，在靈巧手、抓取工具等機器人末端執行器中配置微型力傳感器或觸覺陣列可有效提高抓取的可靠性，或通過多點力的測量的方式實現目標剛度、幾何特征的測量，目前在軌應用的主要有ROTEX手爪觸覺陣列及Robonaut2五指靈巧手手指指面配置的微型六維力傳感器[69]。目前在空間力感知方向，還有提出利用仿生觸須傳感器實現空間目標的識別與避障[99]，尤其是在空間非合作目標的參數辨識與消旋方面。

圖36 R2手指的微型六軸力傳感器樣機[69]Fig.36 Prototype of 6-axis load cell sensor mounted in R2 robot fingertip[69]

3.6 空間機器人動力學與控制技術

空間機器人屬于典型的多體系統，對其動力學建模常用的也是多體系統動力學的方法。在空間機器人動力學建模方法方面，空間機器人動力學特性有別于地面固定基座機器人，突出表現為強非線性、動力學耦合、非完整性等，國內外學者對其動力學分析方法進行了大量研究，成果可主要歸結為經典力學方法、凱恩方法和遞推計算動力學方法。空間機器人是一個多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的復雜系統，存在著參數攝動、未建模動態與外界干擾等不確定性，因此其控制問題也相當復雜。針對空間機器人后續應用的需求，空間機器人動力學、仿真與控制面對的主要挑戰在于：① 多應用場景下復雜異構、同構多機器人集成系統的建模；② 航天員與機器人在同一現場的高安全性人-機系統動力學，機器人與操作目標、操作環境及航天員接觸的動力學與控制；③ 漂浮基座空間機器人對非合作目標抓捕的動力學控制。

在多應用場景下復雜異構、同構多機器人集成系統的動力學建模與控制中，目前研究的對象還主要集中在雙臂、多臂類多支鏈機器人，尤其在多臂協同搬運、操作等緊協調的應用場景。北京航空航天大學丁希侖系統總結了擬人雙臂機器人協調操作的運動學規劃、協調控制方法[100]，提出了基于主從式雙臂的力/位混合控制方法，即主臂采用位置控制，從臂采用力與位置混合控制。多于雙臂的多支鏈系統的建模與控制難度較雙臂更高，劉嘉宇等提出了一種組合式全身柔順控制方法[101]，解決了多臂空間機器人捕獲大型翻滾目標時的柔順接觸及碰撞安全問題，提出了一種基于全身阻抗控制和獨立導納控制的組合式接觸柔順全身控制策略，分別在空間機器人多剛體系統質心層面構建機械阻抗特性和在每條機械臂建立導納特性，實現對外部拖拽的有效管理。

在未來的載人空間探測活動中，航天員需要與機器人在同一共享空間內工作，需要解決航天員、機器人、載荷設備共享工作空間時的本質安全問題，確保機器人工作時不給航天員及周邊有效載荷及平臺設備帶來安全威脅或隱患，這也是當前民用領域“人機協作、人機共融”機器人的發展熱點。一方面是如前文所述在常規剛性關節中引入彈性元件或柔性機構，構成串聯彈性關節SEA，使得機器人具有高柔順性、良好的緩沖功能等；另一方面是機器人具備柔順運動控制的能力，目前基于阻抗控制的柔順運動控制方法應用相對較多。DLR Ott等在LWR輕質機械臂中采用將電機動力學與力矩反饋相結合的方法[102]，將柔性關節機器人系統作為兩個無源性系統的串聯反饋，在基于無源性理論的柔性關節控制器中引入力矩反饋，基于無源性理論設計的控制器具有算法簡單、便于工程應用，且兼顧良好的跟蹤性能等優點，解決了位置跟蹤和阻抗控制等問題[103]。在Robonaut2中提出了多優先級阻抗控制的方法[104]，將笛卡爾末端阻抗作為最高優先級，將關節空間阻抗作為次優先級，使得機器人手臂可以響應手臂不同部位的目標力或目標位置，同時冗余自由度可最大限度地響應或避障。

針對漂浮基座空間機器人對非合作目標抓捕的動力學控制的問題。由于非合作目標運動的不確定性，在接觸目標航天器時會出現不確定的干擾。此外，機械臂與基座平臺組成高度耦合的動力學系統，機械臂的運動會影響空間機器人基座平臺的姿態穩定，這些問題都對空間機器人的在軌穩定控制提出了較大的挑戰。針對這些問題，許多學者提出了針對空間機器人系統穩定控制的方法。Xu等針對空間機器人基座平臺可控的情況設計了自適應控制方法，并在關節空間中對機械臂控制進行了仿真計算[105]；Chu等提出了帶擾動觀測器的魯棒控制策略[106]，將模型的不確定性與外界的干擾集中在一起，在機械臂的每個關節處設計了擾動觀測器，結合PD控制完成對機械臂的控制；Busoniu等提出了自適應神經網絡控制方法[107]，對不確定部分用神經網絡近似，并證明了系統的穩定性；Oda和Ohkami通過估計機械臂產生的角動量[108]，然后對基座平臺姿態進行補償控制，對機械臂運動與基座平臺姿態進行了協調控制；徐文福等提出在自由漂浮基下，由空間機械臂自身的控制實現機械臂與基座平臺協調運動的方法[109]。Yoshikawa 和Yamada提出一種角動量控制策略[110]，該方法利用機械臂根據相對位姿進行調整對抓捕對象反復施加脈沖，直至自旋目標的旋轉被抑制到很小的狀態，并通過合適的坐標變化簡化了旋轉運動的表達式，設計了一種離散控制器，很好的分析了碰撞情況和穩態條件。Dimitar 提出了偏置動量法與動量分配控制法[111]，該方法可使空間機器人在與抓捕對象碰撞前后姿態變化最小，在抓捕機構接近目標階段進行角動量偏置，在碰撞過程中采用阻抗控制，在碰撞后進行角動量分配控制，從而完成全部捕獲操作。

4 空間機器人未來應用展望

空間機器人是實現空間操控自動化和智能化的使能手段之一。在當前在軌應用及驗證的基礎上，未來空間機器人的應用方向可簡要概括為空間目標的抓捕與移除、高價值目標的在軌服務與維修、空間大型構件的在軌組裝及星球移動與作業探測。

在空間抓捕方面，空間機器人是抓捕操控的主要手段之一。在當前國內外在軌抓捕的計劃和方案中，空間機器人系統均是抓捕和移除的核心手段之一，如SUMO[48]、TECSAS計劃(見圖37)等。利用在軌抓捕裝置可針對運動狀態、質量特性參數未知或測量、行為不配合的非合作目標(如故障航天器、空間碎片)開展抓捕、拖曳及移除操作。多臂機器人、變剛度機械臂、柔性機器人等類型的機器人在此類任務場景中較好的應用潛力。

圖37 在軌抓取與移除Fig.37 On-orbit capture and removal

在高價值目標的近距離精細化維修維護方面，針對故障衛星的維修服務技術，對故障衛星實施維修救援使其正常工作，對航天器進行故障排除，對航天器進行升級、補給等維護，可有效地延長航天器的在軌壽命或恢復功能，可挽回巨大的經濟損失和產生積極的社會影響。利用空間機器人可針對高價值的目標開展精細化的維修維護，包括燃料補加、模塊更換、物資運輸、在軌維修、重構利用等，典型任務如Restore-L計劃(見圖38[50])。超冗余靈巧機械臂、雙臂或仿人機器人、模塊化可重構機器人、多功能末端執行器、多指靈巧手等在此類任務場景中有較大的應用潛力。

圖38 Restore-L計劃[50]Fig.38 Restore-L Program[50]

在大型構件的在軌組裝方面，受火箭推力、整流罩包絡及機構復雜度的影響，未來深空探測、天文觀測、戰略偵察等工程所需的大面積、大跨度空間結構一次性實現在軌布署有較大的難度。在軌組裝可將單次/多次發射入軌的結構模塊、功能模塊等基本單元依序組裝成期望的大型空間系統，具有結構效率高、擴展性強、可逐步升級等特性。空間機器人是大型空間結構、載荷、航天器在軌組裝的主要手段之一，用以實現組裝過程中模塊移動、連接、操作、調整等關鍵動作，如圖39所示。

圖39 在軌組裝Fig.39 On-orbit assembly

在星球移動與作業探測方面，在面向月球、火星等星球的探測活動中，機器人可在惡劣星表環境開展長時間、大范圍的資源探測、環境探測、設施建設等任務；后續載人星球探測活動中，機器人也可作為航天員感官和肢體的擴展和延伸，顯著提升航天員的工作效率和效能，在極端環境預先探測、人機聯合作業、科研站的長期值守與維護方面發揮有益的作用，如圖40所示。針對上述任務場景，可發展仿生、可重構、輪足復合式等新型星表機器人。

圖40 月面科研站設想Fig.40 Imagination of lunar scientific and research station

5 結 論

空間機器人，包括軌道空間機器人與星表空間機器人，經歷若干年的應用與驗證，實現了以空間機械臂與星表巡視器為代表工程產品的在軌應用，具備了未來衛星在軌服務、星表科學探測成熟應用的技術基礎。

未來在空間目標抓捕移除、高價值目標在軌服務維修、空間大型構件在軌組裝、星球移動與作業探測等領域，空間機器人有巨大的應用潛力，是上述重大工程和空間科學應用得以實現的使能技術和手段。

為應對任務需求對空間機器人智能化、高精度、力柔順、高安全性的要求，空間機器人還需在新型機構構型、輕量化柔順關節、多功能靈巧末端操作、高機動性自主行走移動、多通道感知認知、動力學與控制等方面開展進一步的基礎研究和關鍵技術攻關。