word《机器人技术根底》课程论文空间机器人的研究现状和开展趋势学生 XXX 学生班级材控1105学生学号U201111xxx xxxxxxxxxxxxx华中科技大学材料科学与工程学院空间机器人的研究现状和开展趋势松威〔华中科技大学 材料科学与工程学院 430074〕摘要：空间机器人既可以代替人类宇航员进展长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务由于空间机器人的重要作用，可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位按照用途的不同，空间机器人可以分为舱／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进展了详细的分析与介绍，并进展了国外空间机器人开展的横向比照鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段，我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追文章最后，结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其开展趋势做出了总结和展望关键词： 空间机器人；舱／舱外服务机器人；自由飞行机器人；星球探测机器人1引言〔introduction〕随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。
空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征，它已经成为设计科学开展、未来资源乃至国家安全的重大问题尽管载人航天活动已经有几十年的开展历史，但对于人类来说，太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点目前，在进展舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服与人类宇航员相比，空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性：它不需要复杂的生命支持系统；适应空间环境；可以长时间工作；可以降低本钱；提高空间探索的效率空间机器人既可以代替人类宇航员进展长时间、危险的舱外作业，也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等兴旺国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位我国空间技术在快速开展，仅2010 年就发射了近20 颗卫星陆续发射了“天宫一号〞目标飞行器和“神舟八号〞宇宙飞船，并进展了无人交会对接下一步还将发射“天宫二号〞，并争取在2020 年建立长期有人居住空间站为了实现这个空间战略目标，目前我国正加紧空间机器人的研究计划，这些研究计划的成功实施对进一步开展太空科技，提升战略地位具有十分重要的意义。
空间机器人的研究涉与机械学、电子学、力学等多种学科和技术，研究主题很多本文仅仅综述一下各类空间机器人的研究现状，并结合国外最新研究成果，对空间机器人的开展趋势进展了预测2 空间机器人的研究现状〔Research status of Space Robot〕空间机器人的起源机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作在几千年人类智慧沉淀之后的今天，机器人几经进入了全新的时代：随着计算机技术和人工智能技术的飞速开展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表由于这些技术的开展，推动了机器人概念的延伸将机器人的技术〔如传感技术、智能技术、控制技术等〕扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器图1 空间机器人系统空间机器人〔如图1所示〕正是当前各个国家竞相创新的新领域机器人之一其集机械学、电子学、力学、通信、自动控制、信息科学、人工智能和计算机等多门学科于一体，是应用在宇宙空间中的一类特殊机器人 空间机器人的分类根据不同的划分标准和原如此，空间机器人有多种分类方法。
其中，按照用途的不同，空间机器人可以分为舱／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种下面将依次介绍这几种行星探测机器人的研究状况 舱／舱外服务机器人(Intravehicular/Extravehicula Robot)作为空间站舱使用的机器人，舱服务机器人主要用来协助航天员进展舱科学实 验以与空间站的维护舱服务机器人可以降低科学实验载荷对航天员的依赖性，在航天员不在场或不参与的情况下也能对科学实验载荷进展照管舱服务机器人要求质量轻、体积小，且具有足够的灵活性和操作能力作为空间站〔或者航天飞机〕舱外使用的机器人，舱外服务机器人〔如图2所示〕主要用来提供空间在轨服务，包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等空间环境是非常恶劣的，如强辐射、高温差和超真空等，这些因素给人类宇航员在太空的生存和活动带来很大的影响和威胁；同时出舱作业的费用是相当昂贵的因此，舱外服务机器人的研究和实验图 2 舱外服务机器人工作非常重要以下为舱／舱外服务机器人国际上最新的研究进展：1．加拿的空间遥操作机器人系统图 3 SRMS 系统加拿大研制的航天飞机遥操作臂系统(Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)如图3所示，是空间机器人概念产生以来第一个成功应用的空间机械臂系统。
该机械臂具有六自由度，全长15.2 m，质量410 kg，空载情况下的最大移动速度可达60 cm/s，臂杆采用碳纤维材料该机械臂可以由计算机进展编程控制，也可以由宇航员手动控制SRMS在1981年首次使用，其设计寿命为10年或者100次飞行任务SRMS由宇航员在舱进展操作，可以用于展开和回收卫星、组装国际太空站和传送部件2005年，SRMS协助宇航员成功地完成了“发现者〞号航天飞机的热防护系统维修工作图 4 MSS 系统加拿大耗资10亿美元研制的空间站移动服务系统(Mobile Servicing System, MSS)，如图4所示 MSS由3局部组成：长17 m的7自由度机械臂系统(Space Station，s Remote Manipulator System, SSRMS)、专用的灵巧机械手( Special Purpose Dexterous Manipulator, SPDM)和移动平台系统(Mobile Base System, MBS)在遥操作方式下，SSRMS可以在轨道上移动空间站的外围设备，可以在舱外行走，可以进展装配和维修工作安装在末端的小型双臂灵巧操作器可以为SSRMS提供操作小尺寸物体的能力，完成一些复杂的操作任务，如更换在轨可替换单元( Orbital Replaceable Unit, ORU)等。
2001年4月，SSRMS将1吨多重的包装箱传送给“奋进者〞号航天飞机上的机械臂SRMS带回地面，实现了机械臂的空间握手2001年7月，SSRMS在宇航员的控制下成功地实现了密封舱的搬运和装配2．德国航宇中心的ROTEX实验德国宇航中心(DLR)研制的基于多传感器的小型空间机器人系统(ROTEX)如图5所示，是世界上第一个实现地面遥操作的舱空间机器人实验系统，其主要目标是验证大时延条件下的地一空遥操作ROTEX系统具有六自由度，可达工作空间为1 m3ROTEX系统的主要特点是具有多种感知功能：在机械臂末端有刚性和柔性六维力／力矩传感器各1个，同时还具有触觉传感器、9个激光测距传感器和1对微型立体摄像机图 5 ROTEX 系统1993年4月，DLR在哥伦比亚号航天飞机上成功地进展了ROTEX的舱遥操作实验，包括空间装配、连接／断开电气插头和自由漂浮物体抓握等ROTEX采用了3种操作模式：基于图形预测显示系统的地一空遥操作、基于传感器的离线编程监控式操作以与宇航员主从遥操作模式3．DLR和NASA的机器人宇航员机器人宇航员的概念最早是由DLR在1997年提出的当时的背景是：一颗刚刚发射的卫星TV- SAT-I在进入轨道后，其太阳能电池板不能自动打开，而卫星所在的轨道是载人航天无法到达的轨道。
因此，DLR提出在移动卫星上安装两个轻型机器人手臂、两个多指灵巧手与一对摄像机组成机器人宇航员，去接近、捕获和维修故障卫星DLR第三代轻型臂采用全模块化的设计思想整个臂的质量为1 3~14kg，负荷约10kg，功耗小于100 w，长约1.2 m，最大关节速度约180°/s它具有七自由度，采用易于折叠的反对称构型，球形腕关节使机器人具有高度的灵活性驱动系统采用优化设计的高性能ROBO Drive电机，其质量和功耗只相当于普通商业电机的一半图 6 ROKVISS 系统以DLR第三代轻型臂为根底，DLR研制的空间双关节系统ROKVISS〔如图6所示〕于2005年在国际空间站上成功完成了假如干实验，验证了DLR模块化关节的空间环境适应性以与由地面到国际空间站的远程力感知遥现技术(Telepresentation)，时间延迟在20 ms左右自1993年，NASA开展了空间遥机器人的大型研究计划，该计划将空间遥机器人分为3个主要的应用领域：在轨装配与维修；科学负载服务和星球外表探测目前研究工作主要集中在在轨装配维修机器人和星球外表探测机器人两个方面在NASA的计划中明确提出，采用虚拟现实的人机接口技术和大时延遥操作技术是空间要机器人的关键技术。
图 7 Robonaut 计划1999年，NASA研制成功了仿人型的机器人宇航员Robonaut〔如图7所示〕它的典型应用背景是国际空间站的舱外作业，将航天服套在Robonaut的外面，其外形与人相似机器人宇航员的灵巧手具有与人手相近的抓取力-舱外作业条件下具有8h的热承受能力、理 想的运动学、高带宽的动力学响应、冗余自由度〔7个〕和超过人类手臂的运动围它能够使用大局部的舱外作业工具，不需任何特殊的环境设施，并且可以和人类宇航员协同工作同时，NASA还开发了用于Robonaut的遥操作系统,操作者可利用头盔、数据手套和跟踪器等对Robonaut进展远程操作，切协助宇航员完成舱外操作任务自由飞行机器人(Free Flying Space Robot, FFSR)图 8 自由飞行机器人自由飞行机器人〔如图8所示〕是指飞行器上搭载机械臂的空间机器人系统，由机器人基座〔卫星〕和机械臂组成，具有自由飞行和自由漂浮两种工作状态自由飞行机器人用于卫星的在轨维护和服务，也可在未来的空间战争中攻击敌方卫星自由飞行机器人的运动学和动力学存在耦合，当工作在自由漂浮状态时，机械臂运动对基座产生的反作用力将改变机器人基座的位置和姿态，此时采用地面固定基座机器人的控制技术难以完成规定的操作任务。
以下为自由飞行机器人国际上最新研究进展：1．美国DARPA的“轨道快车〞项目图 9 轨道快车概念美国国防高级研究计划局(DARPA)“轨道快车〞(Orbital Express)项目〔如图9所示〕的目标是研制一种卫星，它能为安装标准对接机构的卫星提供燃料补充、电子设备和蓄电池更新等服务，其最终客户是商业卫星和军用卫星DARPA为这些卫星确定一种卫星服务接口标准研究人员通过分析在轨维护任务所需要的本钱和效益，得出的结论是：这种在轨服务可以显籍延长卫星的寿命，并使卫星的运行本钱降低20%~30%轨道快车〞项目包括一颗用于在轨服务的ASTRO卫星和一颗名为NextSat的客户卫星ASTRO卫星上配备机械臂和对接机构，用于捕捉和维护客户卫星这个机械臂由已成功开发SRMS和SSRMS的加拿大MDA机器人公司负责开发，长3 m2007年3月，美国把ASTRO和NextSat发射到轨道上并进展了相关试验在试验中， ASTRO首先接近NextSat卫星到10~20 cm的距离；然后ASTRO上的对接机构与NextSat卫星上。