机器人引论 张涛第10章 空间机器人

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1、机器人引论,第10章 空间机器人,第10章 空间机器人,10.1 空间机器人的定义和发展历程 10.2 空间机器人的特点和分类 10.3 空间机器人通信技术 10.4 空间机器人的应用,10.1 空间机器人的定义和发展历程,10.1.1 空间机器人的定义 从广义上讲，一切航天器都可以成为空间机器人，如宇宙飞船、航天飞机、人造卫星、空间站等。航天界对空间机器人的定义一般是指用于开发太空资源、空间建设和维修、协助空间生产和科学实验、星际探索等方面的带有一定智能的各种机械手、探测小车等应用设备。 空间机器人所从事的工作主要包括： 空间站的建设 航天器的维护和修理 空间生产和科学实验 星球探测,世界上

2、第一颗人造地球卫星,空间机器人正在维修人造卫星,10.2.1 空间机器人的发展历程 空间机器人的发展历程在不同国家是不同的。 1 空间机器人在美国的发展 1962年美国使用专用机器人采集了金星大气数据。1967年，“海盗”火星着陆器对火星土壤进行了分析，以寻找生命迹象。 20世纪70年代初，美国提出在空间飞行中应用机器人系统的概念，并且在航天飞机上予以实施。 目前，美国进行的最大的空间机器人计划为飞行遥控机器人服务系统（FTS）。Goddard空间飞行中心负责研制的飞行遥控机器人是FTS系统的核心，它具有多个视觉传感器，可以完成远距离的舱外作业，并具有较高的自主性。,NASA的约翰逊空间中心正

3、在研制自主空间机器人，用于完成空间站内的检查、维修、装配等工作，也可以回收和维修卫星。NASA的JPL实验室多年来一直从事空间机器人系统和智能手抓捕研究，并执行NASA的遥控机器人技术计划。JPL实验室研制的闻名世界的“索杰纳”火星车。,JPL实验室研制的闻名世界的“索杰纳”火星车,美国一些重点高等院校也正在开发空间机器人。如MIT、Stanford University、Michigan University、California University等都承担了NASA的空间机器人研究课题，并在许多方面都已做出了成绩。 2 空间机器人在加拿大的发展,加拿大航天局在空间机器人项目中为美国航天飞

4、机设计遥控机械臂（RMS）。加拿大同时开展的项目还有针对空间站研制的MSC，即具有双臂灵巧操作手的可移动作业中心。,加拿大研制的具有双臂灵巧操作手的可移动作业中心,3 空间机器人在日本的发展 日本国家空间发展局（NASDA）目前组织力量研究空间机器人系统。东芝公司和电子综合技术研究所共同研制了多功能机械手。主要用于完成外舱、补给舱的组装、支持加压舱内宇航员完成各种实验任务、更换实验仪器、维修实验设备、更换和处理实验材料等。 日本的JEM-RMS，即,技术试验卫星VI型（EIS-VI）计划，是一个实验性的在轨操作空间机器人作业器。主要以开发空间机器人技术、空间会合对接技术以及在空间轨道上进行实验

5、为目的。,日本东芝公司研制的火星探测机器人,4 空间机器人在俄罗斯的发展 20世纪60年代，美苏两国在空间机器人的研究方面各显其能，不相上下。但是到了20世纪70年代，美国放慢了空间机器人的研究步伐，而前苏联则一如既往，对空间机器人的研究有增无减。前苏联利用空间机器人协助宇航员完成了飞行器的对接任务和燃料加注任务，令美国的空间科学家羡慕不已。但是近二十年来由于其经济发生了困难，对空间机器人的研究有所放慢。 5 空间机器人在欧洲的发展 欧空局各国相继成立空间机器人研究机构，如荷兰的FOKKERSPACE 8L SYSTEM公司、德国的DFVLR公司、法国的MATRA ESPACE公司、意大利的T

6、ECNO SPAZIO公司等。 德国于1993年4月有“哥伦比亚号”航天飞机携带发射升空的ROTEX空间机器人是世界上第一个远距离遥控空间机器人。,10.2 空间机器人的特点和分类,10.2.1 空间机器人的特点 1 高真空对空间机器人设计的要求 在高真空环境下只有特殊挑选的材料才可用，需特殊的润滑方式，如干润滑等；更适宜无刷直流电动机进行电交换；一些特定的传感原理失效，如超声波探测等。 2 微重力或无重力对空间机器人的设计要求 微重力的环境要求所有的物体都需固定，动力学效应改变，加速度平滑，运动速度极低，启动平滑，机器人关机脆弱，传动率要求极高。 3 极强辐射对空间机器人的要求 在空间站内的

7、辐射总剂量为10000Gy/a，并存在质子和重粒子。强辐射使得材料寿命缩短，电子器件需要保护及特殊的硬化技术。,4 距离遥远对空间机器人的设计要求 空间机器人离地面控制站的距离遥远，传输控制指令的通信将发生延迟（称为时延）。时延对空间机器人最大的影响是使连续操作闭环反馈控制系统变得不稳定。同时在存在时延的情况下，即使操作者完成简单工作也需要比无时延情况下长得多的时间，只是由于操作者为避免系统不稳定，必须采取“运动等待”的阶段工作方式。 5 真空温差大对空间机器人设计的要求 在真空环境下，不能利用对流散热，在空间站内部的温差为-12060，在月球环境中的温差为-230130，在火星环境中的温差为

8、-13020。在这样的温差环境中工作的空间机器人应该需要多层隔热、带热管的散热器、分布式电加热器、放射性同位素加热单元等技术。,除了以上空间环境对空间机器人设计所提出的要求外，空间机器人还具有如下特点： 可靠性和安全性要求高 机载质量有限且成本昂贵 机载电源和能量有限,10.1.2 空间机器人的分类 根据空间机器人所处的位置来划分： 低轨道空间机器人 离地面300500km高的地球旋转轨道。 静止轨道空间机器人 离地面约36000km的静止卫星用轨道。 月球空间机器人 在月球表面进行勘探工作。 行星空间机器人 主要指对火星、金星、木星等行星进行探测。 根据航天飞机舱内外来划分： 舱内活动机器人

9、 舱外活动机器人,根据人的操作位置来划分： 地上操纵机器人 从地面站控制操作。 舱内操纵机器人 从航天飞机内部通过直视或操作台进行控制操作。 舱外操纵机器人 舱外控制操作。 根据功能和形式来划分： 自由飞行空间机器人 机器人卫星 空间实验用机器人 火星勘探机器人 行星勘探机器人,根据空间机器人的应用来划分： 在卫星服务中的应用 在空间站中的应用 包括在空间站、移动服务中心（MSC）和遥控机械手系统（RMS）中的应用等。 实验性空间机器人 空间站上的机器人是以遥控为主，局限在空间站桁架间移动，主要用作舱外作业支援工具。随着空间机器人的发展，出现了遥控与自主相结合的想像卫星那样边自由飞行边自主完成

10、某个简单作业的卫星机器人。比较有代表性的机器人卫星为日本的ETS-VII型和美国的RANGER型机器人卫星、其中，ETS-VII进行了协调控制机械手遥控操作、轨道服务、功能协调和智能控制4种实验；而RANGER则完成了机械臂控制、智能行为、基本作业、扩充作业和轨道会合对接等实验。 行星表面探测空间机器人,根据控制方式来划分： 主从式遥控机械手 主从式遥控机械手由主手和从手组成。从手的动作完全由操作人员通过主手进行控制。这种遥控机械手具有严重的缺点：操作人员的劳动强度很大；在进行操作时，由于控制信号的时延带来不稳定性。主从式遥控机械手已经为遥控机器人所取代。这种机械手也有优点，在宇宙飞船、空间站

11、外部空间距离近的地方仍可以利用其反应快、触觉真实的特点进行时间较短的操作。 遥控机器人 遥控机器人是将遥控机器人和一定程度的自主技术结合起来的机器人系统，机器人远地接收操作人员发出的指令进行工作。现阶段，遥控机器人是最重要的一种空间机器人。它可以工作在舱内，也可以工作在舱外，还可安装在空间自由飞行器上派往远离空间站的地方去执行任务。 自主机器人 自主机器人是一种高智能机器人，具有模式识别和作业规划能力，能感知外界环境的变化和自动适应外界环境，自己拥有知识库和专家系统，具有规划、编程和诊断功能，可在复杂的环境中完成各种作业，如火星探测机器人就属于自主机器人。,10.3 空间机器人的通信技术,10

12、.3.1 空间机器人的深空通信 空间机器人和地面控制站的数据链路是通过深空通信网DSN（Deep Space Network）来完成的。 在深空通信中，下行链路的符号首先被调制在一个方波副载波上，然后已调副载波再调制到RF载波上。这样可以传送与数据频谱不重叠的残留载波频率分量，因此两者之间的干扰最小。 深空通信中提高信噪比的方法一般有以下几种方法： 深空网天线的设计 提高射频工作频度 提高发射功率 降低接受系统噪声温度 使用先进的编译码技术 采用好的信源压缩方法（如无损压缩法）,测控跟踪站的组成框图,10.3.2 空间机器人的深空通信的接收技术天线组阵 利用分布在不同地点的多个天线组成天线阵列

13、，接收来自同一深空机器人的信号，并将各个天线接收的信号进行合成，从而获得所需的高信噪比接收信号。这种方法称为天线组阵。 天线组阵可以增加天线等效口径，降低天线的指向误差，系统可用性更高、维护灵活且工作可靠，可以减少用于备件的费用，可以通过使用更小口径的天线来降低成本，天线组阵还可以提高系统的可操作性和计划的灵活性。,天线组阵技术包括： 全频谱合成：来自每个天线的中频（IF）信号被发送至合成站进行信号合成。为了确保相关性，信号必须在合成前进行延迟和相位调整。通常是通过信号流相关来完成修正延迟和相位的估计。,FSC的框图,复符号合成：来自每个天线的中频信号送至一台接收机，在这里使用现有最佳载波预测

14、进行开环载波跟踪。如果这种跟踪保持在比符号率低得多的频率误差范围内，则可以完成副载波解调和符号同步。这些复符号（因为载波未锁定）送至合成站进行合成。为了确保相关性，在合成前这些信号必须进行相位调整。修正相位的估计通常通过各信号流的相关来完成。,CSC的框图,符合流合成：接收机使用来自各个天线的信号来跟踪载波并完成符号同步。符号同步后，相对于另一个数据流直接延迟一个数据流，使符号在时间上对齐就比较简单。在判决给定比特（通过数据译码从符号得到）是“+1”还是“-1”之间，以适当的权值合成符号，形成一个“软”符号估计，即原始遥测数据。,符号流合成的框图,基带合成：来自每个天线的信号都是载波锁定的。载

15、波环的输出在基带频率上并且包括一系列副载波的谐波分量。该基带信号被数字化、延迟、加权，然后进行合成。延迟偏移量通常由各天线基带信号互相关得到。用合成的信号完成副载波锁定和符号解调。如果没有副载波，则这种技术就变成了符号流合成。,基带合成的框图,载波组阵：在载波组阵中，每个阵元上的各载波跟踪环是“成对的”，以提高所接收载波的信噪比，因而减少了单个天线上载波锁定不良造成的“无线电”损失。,载波组阵的框图,10.4 空间机器人的应用,10.4.1 探测空间机器人 探测空间机器人主要用于对空间星体进行科学探测，发现新现象和新物质，解释宇宙生成的奥秘。目前，人类所从事的最成功的空间探测是火星探测，并且研

16、制并实际使用了多种火星探测空间机器人。 飞往火星的航天器主要包括由地球飞往火星的装备、着陆装备和携带探测仪器的空间机器人，特别是着陆于火星表面的航天器。下面介绍各个主要部分的特点。,着陆于火星表面的航天器,1 气囊,它的外壳包括的几个组件：1个降落伞、后壳电子组件和电池组、1个惯性测量组合、3个被称为火箭助减系统的大型固体火箭发动机、3个小型火箭称为横向冲击火箭系统等。,气囊用以确保航天器在岩石或粗糙的地形上着陆时得到缓冲，并且在着陆后能使航天器以高速在火星表面弹跳。更复杂的是，气囊必须在着陆前数秒膨胀，待安全着陆后在瘪掉。,航天器的外壳,2 着陆器,着陆器是一个牢固且轻的结构，由一个底座及三片“花瓣”组成金字塔形。着陆器结构由复合材料制成的梁和薄片组成。着陆器的梁由石墨纤维的碳基层编织成的织物制成，这种材料比铝轻，刚性比钢要高。空间机器人通过螺栓和特殊的螺母安装在着陆器内，着陆后通过小型爆炸使它松开。,着陆器,3 火星探测空间机器人,火星探测空间机器人是飞往火星的航天器的核心