空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

戴振东(南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京210016)



空间机器人的若干前沿领域:研究进展和关键技术

戴振东
(南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所，南京210016)

摘要:基于空间环境和在轨任务的特殊性导致的空间机器人不同于地面机器人的特点，讨论了面向航天产业的核心技术路线图的确定方法，论述了航天员心理陪护机器人的要求和研究方法，重点分析了非合作目标捕获过程面临的非线性碰撞接触动力学等前沿科学问题和冲击载荷下空间漂浮系统的稳定控制等关键技术；并针对未来空间装备巨型化趋势，介绍了大型机械臂研制、多机器人协调和大延迟下对机器人系统智能化的研究进展。

关键词:在轨服务；非合作目标捕获；航天机器人；航天员陪护；多机器人协调

1　引言

空间机器人是为适应航天任务的变化而发展起来的，涉及空间站建设维护、在轨服务、航天员作业辅助到对非合作目标作业的各个方面[1-2]。1992年我国启动了载人航天工程，已成功实现5次无人飞船飞行和5次载人飞行，掌握了载人天地往返、航天员出舱活动和空间交会对接相关的核心技术，奠定了空间站建造的基础能力。2010 年9月国家批准载人空间站工程，随着工程的进展，未来空间站检测维护、航天员作业辅助等任务，对空间机器人提出了新的技术需求[3]。此外，随着我国高价值航天器的发射、在轨运行，受燃料耗尽、空间碎片和故障等的影响，这些空间资产的维护和能力保障必将成为提高航天效率、保障航天器能力的重要议题。在轨服务技术可提高航天器运行可靠性，降低总体研制运行成本；利用在轨维修代替整星替换，提高航天器研制效率；在轨制造、组装技术实现航天器的优化设计；空间碎片移除、辅助离轨、在轨维修等商业应用；促进航天器研制变革；牵引带动多学科、新技术发展。本文结合我们的工作和思考，回顾空间机器人在载人航天、在轨服务等方面的研究进展和面临的问题。

2　关键技术的提出和确立

正确地提出问题，是解决问题的最重要一步。NASA提出了一套确定未来人类太空探索任务的技术路线图方法[4]，值得关注。以制定“环境控制和生命保障系统”(Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS)路线图为例，系统目标是增强国际空间站(ISS)的长期作业能力，满足超低地球轨道(LEO)人类探索任务。达到上述目标，需要优先发展三种基本的任务能力和技术，即短期微重力、长期微重力和长期部分重力探索任务；然后把ECLSS功能分解为三个主要功能:大气、水和固体废物的管理；进一步把子功能的技术需求与现有先进技术(SOA)对接，再由美国宇航局主题专家评估单个的先进技术能够在何种程度上满足上述三种任务的功能需求。当SOA不能满足一个或多个任务需求时，这些有差距的方面被确定为需要优先发展的技术列入需求表，用于指导ECLSS的关键技术投资。有些内容作为需要探索的技术，随时间推移，满足这些需求的策略构成了技术发展路线图。执行该路线图，促进硬件和技术发展，使国际空间站的作业能力和多用途载人飞船(MPCV)的能力得到提升[4]。借鉴上述思路，对空间机器人发展的若干方面给予分析。2015年欧盟刚刚发布的Space Robot项目计划[5]，也对研究的目标任务、单位的资质、研究基础和计划进度有明确的要求，体现了面向航天产业发展需求的基础研究规划的特点。

3　航天员陪护机器人

在航天工程中，载人航天具有特别重要的意义，一方面航天员对环境全面细致的感知、智能判断和情感体验具有不可替代的作用和地位。另一方面，为保障航天员的生命和健康，空间站系统也需要付出巨大的代价。在空间站上，为保障航天员安全所付出的成本非常高，同时航天员出舱作业也具有风险高、效率低、作业时间短等特点，发展航天机器人，把机器人环境敏感度低、适应性高、作业力大等特点和航天员的优势结合，是未来空间站系统人机协同作业的一个重要发展方向。从功能角度看，航天员辅助作业机器人可分为协助、替代和陪护机器人。协助和替代航天员作业的机器人可替代航天员完成一些危险或者不能完成的任务，如舱内狭小空间内的检测、清理等。或在航天员作业时提供必要的辅助，如辅助固定航天员，使其有更好的工作状态，在航天员出舱作业时提供辅助的运动、材料转运等。航天机器人在作业辅助方面的研究进展已经有相当的综述[6-7]，本文不做重复，而侧重讨论已有文献讨论较少的方面—航天机器人的陪护功能。

然而狭小空间、失重、孤独等特殊的环境，对航天员的心理健康会产生相当负面的影响，陪护机器人是针对该类问题而提出的。美国NASA研制验证了Robonaut[8]，日本验证了仿人机器人[9-10]的陪护方面的效果。这方面老人陪护机器人的研制经验可以参考，如早稻田大学的菅野重树教授历时7年开发的TWENDY-ONE陪护机器人，欧洲在FP7计划中开展的轻度认知障碍和独居老年陪护机器人的研究[11]，特别是陪护的心理基础研究。机器人可以实现目标对象与亲人和朋友的影像交流、认知训练等。Syrdal等研究了人与机器人的相互作用，在1. 5月的相处中，8个受试者报告，具有肢体行为的机器人更加友好，结果表明:尽管表达和交际能力在建立亲密关系和与人的互相作用中非常重要，但一定不能忽视实时共享物理空间过程中的身体亲密接触的重要性[12]。2008年Marcel结合老人陪护需求，建立了计量、预测和解释机器人陪护接受度的方法，研究了人和机器人的社会能力和社会存在对人快乐感知的影响。先通过一组人陪护的实验(n =30)确定参考数据，再以机器人陪护作为第二组(n = 40)，在对比条件下，确认社会能力和社会存在与快乐感知间的相关性。结果表明，当人和陪护机器人相互作用时，机器人的社会能力和社会存在对快乐感知做出了贡献时，被陪护者更快乐，从而得到更高的评估分[13]。该研究把机器人的社会功能和使用者的可接受度结合起来，对航天陪护机器人提出了新的研究方向。

4　非合作目标的捕获

对非合作目标捕获是目前国际在轨服务领域研究的热点问题[1，14-15]。这里非合作目标通常指空间碎片、失效航天器和没有合作意愿的航天器，本文仅讨论前两种情况。研究表明[16]，在太阳风和重力梯度等因素影响下，空间碎片和失效航天器往往会处于进动状态，因此与工作航天器(空间机械臂或者空间机器人)间存在多维度的位置(几何长度和角度)差异，特别是相对工作航天器的转动使捕获变得非常困难。因此，类似空间站对接那样的作业几乎无法实现，工作航天器和碎片及失效航天器间会存在相对的碰撞。

目前的捕获方式有机械臂、绳系和微小卫星捕获等。捕获过程可以分为捕获前、捕获中和捕获后。捕获前的主要任务是确定被捕获目标的几何外形、运动参数、惯量、质心和到抓捕点的距离等参数，通常采用视觉方法；捕获中的研究重点是工作航天器和目标航天器间的碰撞，特别是动力学和控制问题；捕获后的主要问题是系统的稳定控制。

捕获前的主要任务是采用非接触方式，确定被捕获目标的几何外形、相对运动参数、惯量、质心和到抓捕点的距离等参数[17]。以便确定合适的捕获位置，规划空间机器人作业过程的路径和轨迹[18]。Yoshida等介绍了利用动量守恒和识别算法，建立转矩或加速度测量的惯性参数(如质量、转动惯量和惯性积)的识别方法，并在ETSVII上验证了算法[19]。张帆和黄攀峰报道了根据目标星和绳的主动特性，判断抓捕目标的惯量、质心和到抓捕点的距离等参数的方法[17]。刘玉等对该领域的研究做了总结，论述了空间机械臂视觉测量技术的要点，包括对手眼关系标定、标志器识别以及相对三维位姿测量等。以加拿大机械臂为例，提出一种基于边缘特征的标志器识别算法，实现了位姿求解，用机械臂原理样机验证了方法[20]。

日本利用国家太空发展署(NSADA) 1997年发射的试验卫星七号(ETS-VII)上配置的长2 m 的6自由度机械臂，完成很多在轨机器人实验，特别是对自由飞行卫星的捕获[21]。Yoshida详细回顾了自由飞行空间机器人涉及的动力学和控制问题，讨论了在ETS-VII上完成的测试和验证结果。认为ETS-VII是一个重要的里程碑，而不是最终目的，目的是用机器人开展在轨卫星的服务，组建低轨道通信卫星网络或星座。他基于对自由飞行多体系统的运动动力学的认识，提出一种无作用力操纵，或零反力机动(ZRM)的概念，其实际可用性在ETS-VII上得到验证，表明ZRM是一个特别有用的方法[22]。Inaba等用ETS-VII首次成功捕获一颗自由漂浮卫星[23]，并针对机动性强、空间运动范围大的客户卫星的燃料加注、修理和轨道维持等在轨服务需求，在地面站和空间机器人间的通信延迟可能造成控制回路的不稳定的问题，采用在轨“机器视觉”，实现机械臂捕捉的自主作业。

捕获过程的核心问题是工作航天器和目标航天器间的刚性体的碰撞接触。该过程冲击载荷大、作用时间短、存在碰撞后再次分离的可能，是复杂的非线性动力学问题。Yoshida研究了机械手捕获过程的阻抗控制方法，其中阻抗匹配是关键，匹配的目标是满足非合作卫星捕获的需求，阻抗匹配的标准值是冲击接触后物体保持在目标上，或者目标反弹离开。作者用两个机器人机械手作为冲击的目标和被冲击目标的运动模拟器，把该策略用于卫星捕获操作的模拟，即把一个阻抗控制探针插入到目标的推进器锥形喷嘴，验证了阻抗匹配的概念[24]。进一步，对姿态失控卫星的捕获，Yoshida从角动量分布的角度，研究如何使接触前后的基本偏差达到最小，依然采用中阻抗控制方法研究冲击过程，接近阶段使用偏置动量方法，撞击后采用分布式动力控制方法。由此建立了成功完成捕获操作的控制序列[25]。陈欢龙等分析了7自由度空间机械臂目标捕获过程的动力学问题，也是把机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程，采用阻抗控制方法，将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量，从而提高机械臂的主动柔性。结果表明，抗控制方法可减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩，补偿机械臂位置控制的误差，保证机械臂对目标的捕获精度[26]。

对采用双臂机器人实现非合作目标的捕获问题，关注点为捕获过程冲击对机械臂母体的影响，通过分析捕获前后机械臂和目标的动力学效应来解决[27-28]。在控制方面，神经网络是一个可行的控制方法[29]。在动力学模型方面，Liu等研究柔性双臂空间机器人捕获目标时有效载荷的碰撞对体系动力学和控制的影响，把两个柔性机械臂链等价为两阶弯曲模式的Euler-Bernoulli梁，基于拉格朗日公式建立机器人系统的动力学模型，设计了PD控制器，以便保持机器人系统在捕获目标后的稳定性。对比了机器人系统在碰撞后有控制和没有控制条件下系统的稳定性的演化。结果表明，冲击对机器人系统的影响很大，状态反馈控制能够使机器人的基座和效应器的关节角更快地达到稳定[30]。

Abiko等[31]研究了模型不确定的情况下，自由漂浮空间机器人的自适应控制问题，这类问题是碎片和未知非合作目标捕获中常见的问题。作者导出了一个新颖高效的空间动力学计算方法，提出一种自适应控制方法，以补偿模型的不确定性。为改进性能，还提出一种综合考虑轨迹误差和反力的复合自适应控制方法，并通过三维数值模拟，证实了方法的有效性。

绳系是建立目标航天器和工作航天器及其母船联系的另一种方法，预期的应用包括卫星服务、检查空间结构、软着陆等。被绳系的子系统设想为多体机器人，通过系绳张力控制其运动，仅在绳系的子系统的质量中心位于张紧力的延长线上时子系统才能平衡。偏离平衡时，旋转振动的子系统由于缆索张力而相互影响，振动通过多体子系统绳系部位的动作控制系绳张力以抑制振动。该方法在绳系卫星控制的可行性已经实验证实，实验所需微重力环境可用自由下落实验或者用飞机做抛物线飞行的方法获得[32]。

5　空间站建设与多机器人作业

5. 1 新型空间机械臂系统

空间机械臂是最基础、发展最早和最重要的空间机器人，在国际空间站建设和运营维护中发挥了不可替代的作用。在我国未来的空间站建设、运营和维护中依然会扮演重要角色。对这类机械臂系统于登云等做了很好的回顾。讨论了空间机械臂的关键技术，包括空间生存与性能保持、空间驱动与伺服、空间建标与测量、天地协同控制与示教、地面仿真训练与环境模拟和发展趋势等问题[33]。2015年中国空间技术研究院总体部完成了空间站大型机械臂初样结构臂力学环境试验。对于深入了解空间机器人系统的力学性能、确定大型复杂空间机器人系统级试验条件和方法具有重要意义，标志我国大型空间机械臂的研究进入国际先进行列[34]。

徐文福等[35]研究了如何确定空间机械臂的总体技术指标问题。对照NASA的程序[4]，该工作是总体设计的关键环节。作者从任务目标出发，结合总体约束条件，对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证；建立系统的多体动力学模型，分析常规和极限工况下空间机械臂的带载操作过程的动力学行为，验证所确定的总体技术指标。结果表明，所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有参考作用。

机械臂关节要求大减速比、高刚度、低重量和高效率，并具有结构紧凑，控制复杂等特点，常用谐波减速器减速，这类减速器轴心孔很小，使通过关节轴心穿过各种线缆的常用设计方案更加困难。陈少帅[36]研制了外形尺寸小、轴心孔径较大、减速比大、传动精度高、扭转刚度大、寿命长的谐波减速器。采取的主要措施包括，选用合适的齿形轮廓和传动比，优化齿轮的变位系数和齿高修形参数，对柔轮进行系统的结构分析和优化，建立刚度模型，得到刚度曲线。对加工完成的谐波减速器测定了回差和传动精度。危清清等[37]研究了机械臂大传动比关节的轻量化、高刚度优化设计问题，用集中参数法和刚度串联原理，建立了复杂传动系统关节等效刚度的计算模型，分析了各级齿轮扭转刚度对关节总扭转刚度的影响。石进峰等[38]研究了空间机械臂的热防护设计问题，针对需求和单元部件的特性，设定驱动关节温度- 22℃～+ 23℃，末端作用器温度- 22℃～+ 30℃，手眼相机温度-6℃～+ 3℃，在此基础上，确定各散热面尺寸及补偿加热功耗。考虑到系统的复杂性，用节点网络法建立了热平衡温度预测的迭代方程式，确定了影响系统温度的各因素的合理取值范围。

5. 2 多机器人协调与控制技术

多机器人协同是在单机器人难于完成既定任务情况下的选择，特别适用于大型结构的分布式作业，在国防、空间和其他领域已被广泛关注。Lucas[39]总结了多机器人技术的发展趋势，提出了多机器人的凝聚交互模型，认为短期内多机器人在国防和空间应用的主要出路是分布式和复杂系统，对研究方向和未来发展给出了预测和建议。部分航天器未来会向结构更大的方向发展，如在轨太阳能发电站、太空望远镜、巨型天线等大型结构，采用在轨装配、在轨制造等方法可节省大量发射空间和费用，具有很好的发展前景。而在轨装配制造需要空间机器人的协调作业，但多机器人作业过程可能诱发振动，在微重力和低阻尼情况下，这类振动可能引发结构破坏，因此如何控制机器人与航天器结构间保持持续的直接接触是最大挑战之一，基于范德华力的仿壁虎干黏附技术可望在固体间形成持续稳定的黏附接触力，为解决该问题提供支持[7]。此外大型结构的稳定性控制也是面临的一大难题，通常物理模型是把多机器人和航天器本体作为一个可变质量分布的组合体，该组合体系统动力学的数学模型为一组非线性偏微分方程，该方程组可转化为一组线性时变常微分方程。方程求解中，考虑机器人的固有频率远高于航天器结构的值，可采用频率差异实现解耦，然后用线性最优控制方法降低结构振动，仿真和实验研究证明该方法是有效的[40-41]。在结构设计上，通过在连接部位引入干黏附阻尼层，也可能对振动抑制起到很好的作用。

5. 3 遥操作技术

人在回路的机器人控制方法，因为引入了人的智能，具有更高的可靠性，同时降低了对机器人自主控制的要求，成为机器人领域优先选择的控制方法。但在航天领域，由于通信延时等往往会引发机器人控制缺失，为此大量研究针对该问题开展。Yoon等[42]为有效手动操控在轨目标，提出基于命令的空间机器人的力和运动混合遥控操作模型，开发了一种6自由度触觉系统，其特点是对建模错误具有鲁棒性，能够实现操作员远程施加力作业；并用ETS-VII机器人系统，完成了面跟踪和钉入孔的任务；对比了主-从控制方法和力操作杆控制方法的效果，结果表明主从控制方法在从机械臂的运动方向和操作者力的方向不一致时完成接触任务效果最佳，在面跟踪上也一样。在国内，宋爱国等也开展了大量出色的研究[43]。

6　结论和建议

随着我国载人航天的发展、空间资产的增加和在轨航天器使用年限的增加，对空间机器人提出了各种迫切的需求。从国外航天强国发展的经验看，基于任务需求的新技术必将成为我国航天机器人发展的核心竞争力，关键技术路线图的提出和确立需要充分考虑发挥我国在材料、技术、装备和管理等方面的优势，集产业需求、研究发现和技术基础，形成基于我国技术优势的航天机器人技术。在航天员陪护机器人研究领域需要引入心理和神经科学的研究，从跨学科的角度寻求解决方案。在非合作目标的捕获方面，同样需要多学科的交互，从视觉识别，非线性冲击接触力学和浮动结构的动力学稳定等方面开展研究。同时对传统的机械臂领域要进一步提高性能，优化结构，以满足空间站建设的需要，多机器人协调作业涉及因素更多，需结合任务背景开展有目标的研究。

致谢:本文撰写中受到各位专家的启发，他们是:果琳丽、彭福军、李志、王春慧等，特此感谢。

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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

作者简介:戴振东(1962 - )，男，博士，教授，研究方向为仿生结构与材料、特别是仿壁虎干黏附技术及其航天应用。E-mail:zddai@ nuaa. edu. cn

基金项目:国家自然科学基金重点项目(51435008)；基本科研业务项目(3082013NP2013502)

收稿日期:2015-11-10；修回日期:2015-12-12

中图分类号:V11

文献标识码:A

文章编号:1674-5825(2016)01-0009-07