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空间机器人的发展“空间”在哪里?

不久前,中国航天科技集团公司五院有消息称,该院组织完成了空间站大型机械臂初样结构臂力学环境试验,标志着我国空间站大型机械臂初样阶段研制工作取得了又一重大突破。据了解,这是我国空间智能机器人系统进入工程研制阶段后的首次大型试验项目。

自《中国制造2025》发布以来,航天装备制造和机器人领域政策利好的消息一直见诸报端。但是两者结合起来——空间机器人,这一特种机器人中尤其“高大上”的装备,现状究竟如何却鲜见报道。

“涉及航天的事情,总是比较敏感。”某航天装备从业人士向记者指出。哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室主任刘宏也在2015国家机器人论坛上表示,外国紧盯“中国卫星太空异常”,中国卫星上“长出”机械伸缩臂,还会被质疑威胁他国卫星安全。

不过,在“敏感”环境中,空间机器人的发展却依然值得关注。

“汽车可以到4S店保养,飞机可以在地面进行维修,航天器一旦发生问题谁来修?”刘宏这样论述发展空间机器人的必要性。

聚焦空间机器人

据了解,空间机器人是在太空中执行空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、科学实验、行星探索等任务的特种机器人。世界上第一个成功应用于飞行器的空间机器人系统,为加拿大MD Robotic公司于1981年研制的SRMS系统。2000年后,空间机器人呈爆发式发展,2010年后各国空间机器人规划逐渐增加。

今年3月份,俄罗斯《观点报》曾报道,俄罗斯加加林宇航员训练中心负责人尤里·隆恰科夫称,俄罗斯科学家近期将向国际空间站发送机器人以完成更多复杂任务。

据刘宏介绍,2017年,德国将在空间机器人上继续发力,推出轨道服务器。美国则推出“凤凰计划”,预计在2016年运用空间机器人对退役卫星中可以发挥功能的部件进行回收,并以低廉的成本将它们集成到新的太空系统中,支撑美国国防部的新使命。

我国空间机器人技术研究约始于上世纪90年代,多年来,中国科学院、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、北京理工大学、北京航空航天大学、航天五院等单位针对空间机器人开展了大量研究,并取得了丰硕成果。面向我国空间站建造与运营、月球探测、活性探测等工程任务要求,我国自行研制了多套空间机器人系统,部分产品已实现了空间应用。

记者还注意到,由于涉及国防安全,中国在空间机器人领域的研发一直由“国字号”科研单位或者国企牵头。中国机械工业联合会执行副会长、中国机器人产业联盟执行理事长兼秘书长宋晓刚向记者证实,在机器人领域,“自主研发”将成为关键词,尤其是这种“上天入地”的机器人,更加会注重自主创新。

同时,宋晓刚指出,虽然《中国制造2025》和未来将出台的机器人“十三五”规划可能不会细分到对空间机器人进行战略部署,但肯定的是,与空间机器人有关的部分,如零部件、新的智能技术等都将受到政策的积极推动。

机械臂注入仿生理念 获长足发展

中科院自动化研究所复杂系统与控制国家重点实验室主任王飞跃曾指出,20世纪80年代研究智能空间机器人时,最大问题是机械臂。

机械臂是空间机器人的核心构造之一,其技术进步史几乎就是空间机器人的发展史。

据公开报道显示,美国国防部先进研究项目局(DARPA)曾在报告中指出,“凤凰计划”正在研发特殊的“机械工具”,以确保可将废弃卫星中的可用零部件取出。该机械工具一度被外界认为是机械臂,且这种机械臂将由地面指挥中心控制。

据悉,新一代的空间机器人可以配备高灵巧机械臂,注入了仿生理念。多个模块化功能单元的有机组合及模块化的多关节则使重构机械臂成为现实。

刘宏指出,从功能角度看,机械臂经历了从监测搬运到自主抓取,再到精细操作的发展历程;在构型上,空间机器人也从单个机械臂走向多个机械臂、人形机械臂;从机械臂本身来说,机械臂的关节从6个关节发展到7个关节,以后会成为多关节连续体;而机械臂的末端作用器,从夹持工具变成了可更换工具,再发展到多指“灵巧手”;从操作看,以前是宇航员在天上“遥操作”,演变成地面“主从遥操作”,再到地面临场遥感操作;操作的目标则从固定物体转变成非合作目标。

我国在空间机器人机械臂研发上也在不断前进。

2013年7月,空间机械手安装在试验七号卫星的外侧,由长征四号丙运载火箭发射入轨,主要实现了小卫星的分离、捕获、靠近,以及模拟部件装配和遥操作。

据了解,在国内多所科研院校的合作下,我国已经完成了空间机器人原理样机的工作,在机械臂关键技术上实现了突破。

刘宏透露,我国还掌握了空间机械手的设计、制造、控制、测试与试验技术,成为世界上第二个完成合作目标的自主跟踪捕获的国家,实现了空间机械手主从遥操作、航天器在轨检测,以及轨道更换单元的在轨模拟装配等空间维护。

“明年要做的实验是天宫二号舱内机械手系统及与宇航员协同作业。”刘宏说。

空间机器人发展的技术挑战及方向

虽然前景喜人,但中国空间技术研究院总体部空间智能机器人系统技术应用重点实验室主任王耀兵也指出,空间机器人的技术发展尚存挑战。

比如,空间机器人对空间环境适应性要求高,如苛刻的温度条件、微重力或弱重力环境、超真空、超辐照、原子氧、复杂光照等;多任务适应能力要求高,如捕获、搬运、固定、更换、加注、重构、移动等不同任务要求各异,需集多功能于一体;操作工况更加复杂,发射段、在轨段、着陆段、月面工作段工况各异,系统设计约束大幅增加;地面验证难度大,多自由度加大了空间机器人在轨环境模拟难度。

王耀兵还对空间机器人的未来发展进行了预测。

他指出,随着在轨操作任务日益多样化,空间机器人功能日趋复杂,机器人操作工具将逐步实现系列化、标准化,操作要求从低精度、粗放式向精细化、柔顺化发展,空间机器人探测将向多机器人协同探测方向发展。

“空间机器人工程应用需求将面向在轨应用系统设计技术,面向多任务和多功能系统设计,考虑航天器上有限资源的系统优化,提升机器人在空间特殊环境中长寿命和高可靠性能。此外,还会注重轻量化、高精度机电产品技术,机电部件的轻量化设计,对高比刚度、高比强度材料的设计及应用等。”王耀兵说。

本文分享自微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources),作者:中国科学报

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原始发表时间:2015-07-15

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