1、空間機(jī)器人空間機(jī)器人第1頁(yè)空間機(jī)器人第2頁(yè)一、空間機(jī)器人概述二、空間機(jī)器人特點(diǎn)和分類三、國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人發(fā)展概況四、空間機(jī)器人戰(zhàn)略意義空間機(jī)器人第3頁(yè)一、空間機(jī)器人概述1、空間機(jī)器人定義 普通機(jī)器人應(yīng)具備四要素：上肢：機(jī)械臂、機(jī)械手，能抓舉、搬運(yùn)物體下肢：腿或輪子，能走歩、轉(zhuǎn)向或移動(dòng)腦和神經(jīng)中樞：信息存放裝置和運(yùn)算裝置或電腦，能進(jìn)行分析、比較、判斷與決議感知器官：視覺(jué)、觸覺(jué)、聽覺(jué)、嗅覺(jué)等傳感器，能敏感溫度、硬度、重量、距離、方位、形狀和大小等 空間機(jī)器人：一個(gè)在航天器或空間站上作業(yè)含有智能通用機(jī)械系統(tǒng)。太空機(jī)器人含有機(jī)械臂和電腦，能實(shí)現(xiàn)感知、推理和決議等功效，能夠象人一樣在事先未知空間環(huán)境下完

2、成各種任務(wù)。 空間機(jī)器人第4頁(yè) 2、空間機(jī)器人工作條件 空間機(jī)器人工作在微重力、高真空、超低溫、強(qiáng)輻射、照明條件差空間環(huán)境下。在失重條件下物體處于漂浮狀態(tài)，給太空機(jī)器人操作帶來(lái)種種困難，空間視覺(jué)識(shí)別以及視覺(jué)與手爪配合較地面更困難。因?yàn)榭臻g機(jī)器人在空間微重力環(huán)境下工作，所以當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)載體產(chǎn)生反作用力和力矩，從而改變載體位置和姿態(tài)，即空間機(jī)器人機(jī)械臂和載體之間存在著運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)耦合問(wèn)題。假如不考慮這種力學(xué)耦合問(wèn)題，而依然采取地面固定基座機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，空間機(jī)器人就無(wú)法完成預(yù)定操作任務(wù)。所以研究空間機(jī)器人，首先要處理是怎樣考慮這種原因，建立相互作用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型及運(yùn)動(dòng)控制算法。

3、空間機(jī)器人基體（衛(wèi)星）不是固定，而是在太空中處于自由飛行或浮游狀態(tài)，空間機(jī)器人第5頁(yè)二、 空間機(jī)器人特點(diǎn)和分類1、空間機(jī)器人特點(diǎn)高真空對(duì)空間機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 在高真空環(huán)境下只有特殊挑選材料才可用，需特殊潤(rùn)滑方式，如干潤(rùn)滑等；更適宜無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電交換；一些特定傳感原理失效，如超聲波探測(cè)等。微重力或無(wú)重力對(duì)空間機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 微重力環(huán)境要求全部物體都需固定，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)改變，加速度平滑，運(yùn)動(dòng)速度極低，開啟平滑，機(jī)器人關(guān)機(jī)脆弱，傳動(dòng)率要求極高。極強(qiáng)輻射對(duì)空間機(jī)器人要求 在空間站內(nèi)輻射總劑量為10000Gy/a，并存在質(zhì)子和重粒子。強(qiáng)輻射使得材料壽命縮短，電子器件需要保護(hù)及特殊硬化技術(shù)。空間機(jī)器人第

4、6頁(yè)距離遙遠(yuǎn)對(duì)空間機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 空間機(jī)器人離地面控制站距離遙遠(yuǎn)，傳輸控制指令通信將發(fā)生延遲（稱為時(shí)延）。時(shí)延對(duì)空間機(jī)器人最大影響是使連續(xù)操作閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。同時(shí)在存在時(shí)延情況下，即使操作者完成簡(jiǎn)單工作也需要比無(wú)時(shí)延情況下長(zhǎng)得多時(shí)間，只是因?yàn)椴僮髡邽榉乐瓜到y(tǒng)不穩(wěn)定，必須采取“運(yùn)動(dòng)等候”階段工作方式。真空溫差大對(duì)空間機(jī)器人設(shè)計(jì)要求 在真空環(huán)境下，不能利用對(duì)流散熱，在空間站內(nèi)部溫差為-12060，在月球環(huán)境中溫差為-230130，在火星環(huán)境中溫差為-13020。在這么溫差環(huán)境中工作空間機(jī)器人需要多層隔熱、帶熱管散熱器、分布式電加熱器、放射性同位素加熱單元等技術(shù)?？臻g機(jī)器人第7頁(yè)2、空間

5、機(jī)器人分類依據(jù)空間機(jī)器人所處位置來(lái)劃分：低軌道空間機(jī)器人 離地面300500km高地球旋轉(zhuǎn)軌道。靜止軌道空間機(jī)器人 離地面約36000km靜止衛(wèi)星用軌道。月球空間機(jī)器人 在月球表面進(jìn)行勘探工作。行星空間機(jī)器人 主要指對(duì)火星、金星、木星等行星進(jìn)行探測(cè)。依據(jù)航天飛機(jī)艙內(nèi)外來(lái)劃分：艙內(nèi)活動(dòng)機(jī)器人艙外活動(dòng)機(jī)器人空間機(jī)器人第8頁(yè)依據(jù)人操作位置來(lái)劃分：地上操縱機(jī)器人 從地面站控制操作。艙內(nèi)操縱機(jī)器人 從航天飛機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)直視或操作臺(tái) 進(jìn)行控制操作。艙外操縱機(jī)器人 艙外控制操作。依據(jù)功效和形式來(lái)劃分：自由飛行空間機(jī)器人機(jī)器人衛(wèi)星空間試驗(yàn)用機(jī)器人火星勘探機(jī)器人行星勘探機(jī)器人空間機(jī)器人第9頁(yè)依據(jù)控制方式來(lái)劃分：主

6、從式遙控機(jī)械手 主從式遙控機(jī)械手由主手和從手組成。從手動(dòng)作完全由操作人員經(jīng)過(guò)主手進(jìn)行控制。這種遙控機(jī)械手含有嚴(yán)重缺點(diǎn)：操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大；在進(jìn)行操作時(shí)，因?yàn)榭刂菩盘?hào)時(shí)延帶來(lái)不穩(wěn)定性。主從式遙控機(jī)械手已經(jīng)為遙控機(jī)器人所取代。這種機(jī)械手也有優(yōu)點(diǎn)，在宇宙飛船、空間站外部空間距離近地方仍能夠利用其反應(yīng)快、觸覺(jué)真實(shí)特點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間較短操作。遙控機(jī)器人 遙控機(jī)器人是將遙控機(jī)器人和一定程度自主技術(shù)結(jié)合起來(lái)機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人遠(yuǎn)地接收操作人員發(fā)出指令進(jìn)行工作?，F(xiàn)階段，遙控機(jī)器人是最主要一個(gè)空間機(jī)器人。它能夠工作在艙內(nèi)，也能夠工作在艙外，還可安裝在空間自由飛行器上派往遠(yuǎn)離空間站地方去執(zhí)行任務(wù)。空間機(jī)器人第10頁(yè) 自

7、主機(jī)器人 自主機(jī)器人是一個(gè)高智能機(jī)器人，含有模式識(shí)別和作業(yè)規(guī)劃能力，能感知外界環(huán)境改變和自動(dòng)適應(yīng)外界環(huán)境，自己擁有知識(shí)庫(kù)和教授系統(tǒng)，含有規(guī)劃、編程和診療功效，可在復(fù)雜環(huán)境中完成各種作業(yè)，如火星探測(cè)機(jī)器人就屬于自主機(jī)器人?？臻g機(jī)器人第11頁(yè)三、國(guó)內(nèi)外空間機(jī)器人發(fā)展概況1、加拿大空間機(jī)器人概況（a）世界上第一個(gè)成功應(yīng)用于飛行器空間機(jī)器人系統(tǒng)為加拿大MDRobotic企業(yè)于1981年研制SRMS系統(tǒng)，該機(jī)械臂總長(zhǎng)15.2m，由一個(gè)肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)組成，其主要功效為投放衛(wèi)星進(jìn)入恰當(dāng)軌道和維修失效衛(wèi)星等，該機(jī)械臂還修理過(guò)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡?？臻g機(jī)器人第12頁(yè)(b)加拿大MDRobotic企業(yè)繼而開發(fā)了

8、應(yīng)用于空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)MSS。該系統(tǒng)主要由活動(dòng)基體系統(tǒng)、空間站遙控機(jī)械臂系統(tǒng)（SSRMS）及專用靈巧機(jī)械臂（SPDM）等三部分組成。其中SSRMS由兩個(gè)臂桿組成，主要用于大型物體搬運(yùn)和組裝；SPDM是SSRMS臂靈巧手，長(zhǎng)約3.5m，質(zhì)量約1660kg；靈巧機(jī)械臂本體裝配在遙控機(jī)械臂系統(tǒng)末端來(lái)執(zhí)行一些愈加細(xì)致操作任務(wù)?？臻g機(jī)器人第13頁(yè)2、美國(guó)空間機(jī)器人概況（a）FTS是美國(guó)最早空間機(jī)器人研究項(xiàng)目，主要在空間站上執(zhí)行各種裝配、維修及幫助視覺(jué)監(jiān)測(cè)等繁雜任務(wù)。FTS由兩個(gè)機(jī)械臂及一個(gè)定位腿組成，屬于類人機(jī)器人，機(jī)械臂能夠在高靈巧系統(tǒng)中于工作空間內(nèi)無(wú)奇點(diǎn)提供89N力和27Nm力矩。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)

9、是對(duì)稱，力/力矩傳感器安裝在機(jī)械臂末端，工作于遙操作模式下?？臻g機(jī)器人第14頁(yè)(b) Skyworker由卡耐基-梅隆大學(xué)研制，屬于附著移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人借助于所在支撐平臺(tái)反作用力，移動(dòng)并操縱各種載荷進(jìn)行工作。當(dāng)承載載荷較大時(shí)，采取連續(xù)步態(tài)保持負(fù)載勻速運(yùn)動(dòng)，防止每一步均進(jìn)行加減速。這種工作方式能夠在反作用力最小情況下使得能量利用率更高，是一個(gè)能夠?qū)Υ罂臻g結(jié)構(gòu)自主裝配、監(jiān)測(cè)和維修低成本機(jī)器人。RangerTFX是一個(gè)靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)13，具體如圖3(c)所表示，項(xiàng)目開始于1992年，是一個(gè)含有自由飛行能力空間機(jī)器人。當(dāng)初主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛

10、機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所表示?？臻g機(jī)器人第15頁(yè)（c）RangerTFX是一個(gè)靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)，項(xiàng)目開始于1992年，是一含有自由飛行能力空間機(jī)器人。當(dāng)初主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)RTSX項(xiàng)目?？臻g機(jī)器人第16頁(yè)（d）Robonaut是NASA開發(fā)空間類人機(jī)器人，它是一個(gè)多自由度靈巧機(jī)器人，主要是作為助手與航天員一起工作并執(zhí)行日常維修任務(wù)?！败壍揽燔嚒庇?jì)劃是在1999年公布，主要用于開發(fā)研究未來(lái)空間在軌補(bǔ)給和修復(fù)、重構(gòu)等技術(shù)，試驗(yàn)修復(fù)衛(wèi)星，進(jìn)行各類儀器太空試驗(yàn)，并利用在軌飛行演示與驗(yàn)證?？臻g機(jī)器人第17頁(yè)3、德國(guó)空

11、間機(jī)器人概況（a）ROTEX項(xiàng)目于1986年開始，是一個(gè)小型六軸機(jī)器系統(tǒng)，1993年在哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)上進(jìn)行了飛行演示，執(zhí)行了抓取物體、機(jī)械裝配及拔插電插頭等多個(gè)試驗(yàn)任務(wù)，是世界上首例含有地面遙操作功效空間機(jī)器人。 (b) ESS項(xiàng)目是為GEO軌道通信衛(wèi)星進(jìn)行服務(wù)，其主要是將ROTEX中已經(jīng)驗(yàn)證遙操作思想用于自由空間環(huán)境中執(zhí)行衛(wèi)星服務(wù)?？臻g機(jī)器人第18頁(yè)(c)ROKVISS由一個(gè)兩關(guān)節(jié)機(jī)器人及相關(guān)輔助設(shè)備共同組成，主要用于驗(yàn)證機(jī)械臂功效。它于20跟隨俄羅斯進(jìn)步號(hào)宇宙飛船發(fā)射升空，然后在ISS上進(jìn)行飛行試驗(yàn)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。（d）TECSAS項(xiàng)目是年德國(guó)宇航中心資助研究，該項(xiàng)目計(jì)劃采取目

12、標(biāo)衛(wèi)星和跟蹤衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)，其中機(jī)械臂和手抓取系統(tǒng)安裝在跟蹤衛(wèi)星上，能夠?qū)臻g設(shè)備維修及服務(wù)系統(tǒng)中比較關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。RangerTFX是一個(gè)靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)13，具體如圖3(c)所表示，項(xiàng)目開始于1992年，是一個(gè)含有自由飛行能力空間機(jī)器人。當(dāng)初主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所表示?？臻g機(jī)器人第19頁(yè)4、日本空間機(jī)器人概況（a）MFD系統(tǒng)為日本第一個(gè)空間機(jī)械臂試驗(yàn)項(xiàng)目，在1997年于發(fā)覺(jué)號(hào)航天飛機(jī)上成功進(jìn)行了演示試驗(yàn)。其主要作用為：(1)對(duì)空間機(jī)械臂性能進(jìn)行評(píng)定；(2)對(duì)空間機(jī)械臂控制系統(tǒng)人機(jī)接口性能進(jìn)行

13、評(píng)定；(3)采取機(jī)械臂對(duì)ORU安裝與卸載、門開及關(guān)等能力進(jìn)行演示試驗(yàn)；(4)對(duì)地面遙操作進(jìn)行演示試驗(yàn)等。 空間機(jī)器人第20頁(yè)（b）ETS-VII是世界上第一個(gè)真正自由飛行空間機(jī)器人系統(tǒng)，1997年發(fā)射升空。其主要目標(biāo)是科學(xué)試驗(yàn)：一是兩顆衛(wèi)星交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)；二是對(duì)空間機(jī)器人做各種操作試驗(yàn)。ETS-VII空間機(jī)器人含有6自由度；長(zhǎng)2.4m，重約150kg；第一關(guān)節(jié)與最終關(guān)節(jié)處罰別安裝有一個(gè)相機(jī)。RangerTFX是一個(gè)靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)13，具體如圖3(c)所表示，項(xiàng)目開始于1992年，是一個(gè)含有自由飛行能力空間機(jī)器人。當(dāng)初主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)

14、行演示任務(wù)RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所表示。空間機(jī)器人第21頁(yè)（c）JEMRMS是用于空間操作機(jī)器人系統(tǒng)，NASDA負(fù)責(zé)研制。該機(jī)器人由主臂和小臂SFA串聯(lián)組成，主臂長(zhǎng)約10m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)和2個(gè)臂桿組成；小臂長(zhǎng)約2m，主要由6個(gè)關(guān)節(jié)、2根臂桿以及一個(gè)末端效應(yīng)器組成。宇航員執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠借助于這兩個(gè)臂桿進(jìn)行更多操作，圖為JEMRMS搬運(yùn)有效載荷過(guò)程。RangerTFX是一個(gè)靈巧空間機(jī)器人系統(tǒng)13，具體如圖3(c)所表示，項(xiàng)目開始于1992年，是一個(gè)含有自由飛行能力空間機(jī)器人。當(dāng)初主要是為了滿足哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)器人服務(wù)要求，而后在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了針對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行演示任務(wù)RTSX項(xiàng)目，如圖3(d)所

15、表示。空間機(jī)器人第22頁(yè)5、我國(guó)空間機(jī)器人概況 我國(guó)空間機(jī)器人研究起步較晚，國(guó)家高技術(shù)領(lǐng)域演示項(xiàng)目“艙外自由移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)”EMR，屬于一套能夠執(zhí)行行走與操作能力艙外空間機(jī)器人系統(tǒng)，這種移動(dòng)機(jī)器人能夠執(zhí)行擰螺絲、插拔插頭及抓拿漂浮物等精細(xì)操作；而且該空間機(jī)器人能夠利用預(yù)先輸入操作指令以及空間站遙控，執(zhí)行對(duì)空間站裝配、檢測(cè)與維修任務(wù)并負(fù)擔(dān)照看及維護(hù)科學(xué)試驗(yàn)等服務(wù)工作。 空間機(jī)器人第23頁(yè)四、空間機(jī)器人戰(zhàn)略主要性與意義放眼未來(lái)，NASA將會(huì)把機(jī)器人、遙控機(jī)器人和自動(dòng)系統(tǒng)研究作為主要策略。美國(guó)于6月28日公布空間探測(cè)方案對(duì)此也有著重提及。制訂這一方針目標(biāo)是“追求人機(jī)協(xié)同創(chuàng)造性”，以開發(fā)創(chuàng)新性機(jī)器人技

16、術(shù)，幫助NASA維持并發(fā)展機(jī)器人在太陽(yáng)系探索中應(yīng)用，并為開展科學(xué)試驗(yàn)以及未來(lái)有些人操作任務(wù)做準(zhǔn)備。這一方案也一樣指出了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)快速和連續(xù)發(fā)展，及其成熟應(yīng)用于大量任務(wù)需求。這些任務(wù)還包含能夠極大地加強(qiáng)空間探測(cè)能力和操作能力空間電力高效管理系統(tǒng)等?？臻g機(jī)器人第24頁(yè)在全部NASA任務(wù)部門中，機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)早已發(fā)揮著主要作用。正在進(jìn)行國(guó)際空間站人工作業(yè)任務(wù)中，包含相當(dāng)主要組員組工作任務(wù)，要求工作人員與倉(cāng)內(nèi)外機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同維護(hù)，并對(duì)飛船在線自動(dòng)控制及任務(wù)控制系統(tǒng)進(jìn)行支持。未來(lái)探測(cè)任務(wù)將深入擴(kuò)展這種人機(jī)協(xié)同探索合作關(guān)系。盡管空間飛行中無(wú)人科學(xué)任務(wù)已經(jīng)相當(dāng)機(jī)器人化，但其依然與地面科學(xué)站以及操作人

17、員有著緊密聯(lián)絡(luò)。未來(lái)，NASA將會(huì)在更廣泛領(lǐng)域使用這種人機(jī)協(xié)同探索系統(tǒng)。所以，NASA已經(jīng)為機(jī)器人和自動(dòng)化系統(tǒng)制訂了一份專門路線圖，目標(biāo)是為未來(lái)25年NASA下轄四個(gè)任務(wù)部門多項(xiàng)計(jì)劃中空間任務(wù)提供技術(shù)支持。機(jī)器人和自動(dòng)化技術(shù)使NASA受益良多，其中包含：將探索空間延伸到超出載人飛船限制之外更深遠(yuǎn)空間；降低載人飛行帶來(lái)巨大成本和風(fēng)險(xiǎn)；提升科研、探索和任務(wù)操作性能表現(xiàn)；增強(qiáng)機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行能力；將機(jī)器人和自動(dòng)化變成了生產(chǎn)力倍增器（比如每一個(gè)操作員能夠控制N個(gè)機(jī)器人），同時(shí)增強(qiáng)機(jī)器人著陸和無(wú)人飛行器自動(dòng)化程度和安全性。空間機(jī)器人第25頁(yè)結(jié)束其實(shí)，這些技術(shù)在NASA之外帶來(lái)潛在效益甚至愈加遠(yuǎn)大。包含：將

18、制造業(yè)重新帶回美國(guó)；開發(fā)新電動(dòng)汽車、更有效風(fēng)能發(fā)電控制、智能電網(wǎng)和其它綠色能源技術(shù)；提升采礦業(yè)和農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度；創(chuàng)造更強(qiáng)大校正、康復(fù)、外科、遠(yuǎn)程手術(shù)和輔助機(jī)器人；延伸水下機(jī)器人探索和服務(wù)范圍；將機(jī)器人技術(shù)融入教育以促進(jìn)科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)發(fā)展；增強(qiáng)服務(wù)領(lǐng)域、應(yīng)急響應(yīng)、危險(xiǎn)環(huán)境操作和排爆機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行能力以及擴(kuò)大自動(dòng)化海陸空交通運(yùn)輸使用范圍。以上這些外部應(yīng)用與NASA多年來(lái)一直致力于將本身技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于個(gè)人領(lǐng)域作風(fēng)完全一致。NASA技術(shù)幾乎能夠在全部民用和軍用領(lǐng)域找到應(yīng)用實(shí)例，從飛行器到空氣質(zhì)量傳感器, 從醫(yī)療衛(wèi)生進(jìn)步到維護(hù)執(zhí)法和個(gè)人安全新材料等。NASA衍生技術(shù)挽救了無(wú)數(shù)生命，創(chuàng)造了大量工作

19、機(jī)會(huì)，為企業(yè)和消費(fèi)者節(jié)約了超出62億美元成本。據(jù)預(yù)計(jì)，直接和間接從NASA共享出技術(shù)，為美國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展貢獻(xiàn)率大約為每為空間探測(cè)投資1美元將能收回700% 回報(bào)?？臻g機(jī)器人第26頁(yè)DARPA地球靜止軌道機(jī)器人地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星含有與地球相對(duì)靜 止、覆蓋范圍廣、應(yīng)用效益高等特點(diǎn)，在軍、民、 商領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，倍受各國(guó)重視.各航天大國(guó)主動(dòng) 建設(shè)地球靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)，地球靜止軌道衛(wèi)星越 來(lái)越多，但同時(shí)也面臨著以下幾個(gè)挑戰(zhàn):一是壽命 末期衛(wèi)星未能離軌或離軌失敗，不但浪費(fèi)寶貴地 球靜止軌道軌位資源，還可能對(duì)正常運(yùn)行衛(wèi)星造 成威脅;二是地球靜止軌道衛(wèi)星故障不但使運(yùn)行商 蒙受巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重社會(huì)

20、影響; 三是技術(shù)飛速發(fā)展使得設(shè)計(jì)之初地球靜止軌道 衛(wèi)星性能可能無(wú)法滿足快速改變應(yīng)用需求，嚴(yán)重 制約地球靜止軌道衛(wèi)星任務(wù)效益 . 所以，發(fā)展針對(duì)廢棄衛(wèi)星移除和再利用、故 障衛(wèi)星功效恢復(fù)、正常運(yùn)行衛(wèi)星性能升級(jí)和任 務(wù)延壽等在軌服務(wù)技術(shù)成為各航天大國(guó)競(jìng)相研究 熱點(diǎn).美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)作為 空間技術(shù)創(chuàng)新探索主要機(jī)構(gòu)，近十幾年來(lái)連續(xù)開 展地球靜止軌道操控項(xiàng)目研究，意在保持美國(guó)空 間技術(shù)優(yōu)勢(shì)地位，推進(jìn)空間產(chǎn)業(yè)變革. 空間機(jī)器人第27頁(yè)地球靜止軌道機(jī)器人項(xiàng)目 DARPA 于 年在低軌開展“軌道快車” 項(xiàng)目是圍繞下一代衛(wèi)星開展設(shè)計(jì)和應(yīng)用嘗試.目 標(biāo)星按照可接收服務(wù)理念設(shè)計(jì)，為合作目標(biāo)，裝有

21、 機(jī)械臂抓捕適配器和角反射器，使得空間捕捉與操 作相對(duì)輕易.但當(dāng)前在軌衛(wèi)星絕大多數(shù)都未考慮可 接收服務(wù)問(wèn)題，星體并未安裝合作設(shè)備，造成空 間操控難度增大.所以，DARPA 地球靜止軌道操 控項(xiàng)目標(biāo)第一步是研發(fā)針對(duì)非合作目標(biāo)機(jī)械臂. 2.1 通用軌道維修航天器“通 用 軌 道 維 修 航 天 器”(Spacecraft for the Universal Modification of Orbits，SUMO)計(jì)劃意在 對(duì)非合作目標(biāo)自主交會(huì)和抓捕進(jìn)行研究.DARPA 在 財(cái)年預(yù)算中為該項(xiàng)目申請(qǐng)了 1264 萬(wàn)美元 2 (注:依據(jù)文 3，DARPA 其實(shí)早就支持 SUMO 計(jì) 劃，但在 DARPA

22、 財(cái)年之前預(yù)算文件中并未 出現(xiàn)該項(xiàng)目).項(xiàng)目標(biāo)主要內(nèi)容包含: 空間機(jī)器人第28頁(yè)(1) 研制可抓捕非合作目標(biāo) 7 自由度機(jī)械臂 和末端工具; (2) 開發(fā)自主抓捕控制算法;(3) 完成自主靠近和抓捕地面半物理試驗(yàn); (4) 研究低成本低軌和地球靜止軌道任務(wù)空間機(jī)器人第29頁(yè)2.2 前端機(jī)器人近期驗(yàn)證在 財(cái)年，DARPA 將 SUMO 更名為 Frontend Robotics Enabling Near-term Demonstration （FREND）計(jì)劃，將空間非合作目標(biāo)操控任務(wù)重 點(diǎn)聚焦于機(jī)械臂設(shè)計(jì)和地面驗(yàn)證，并明確 FREND 機(jī)械臂將用于地球靜止軌道任務(wù)，潛在用戶是美國(guó) 空軍，由海

23、軍研究試驗(yàn)室（NRL）進(jìn)行系統(tǒng)集成及 試驗(yàn)2機(jī)械臂主要設(shè)計(jì)指標(biāo)以下 ：(1) 末端效應(yīng)器能夠抓取半徑為 3 in、高度為 40 in 圓柱體； (2) 機(jī)械臂含有最大程度靈活性； (3) 在其 75% 活動(dòng)空間內(nèi)末端效應(yīng)器軸向 速度可達(dá) 17 cm/s，或者 95% 活動(dòng)空間內(nèi)可達(dá) 6 cm/s； (4) 機(jī)械臂質(zhì)量小于 80 kg； (5) 機(jī)械臂負(fù)載大于 5 kg； (6) 機(jī)械臂能承受發(fā)射過(guò)載； (7) 機(jī)械臂末端位置誤差 2 mm，角度誤差 0.4空間機(jī)器人第30頁(yè)FREND 機(jī)械臂由 Alliance Spacesystems 企業(yè)研 發(fā)4Alliance Spacesystems

24、為 FREND 項(xiàng)目設(shè)計(jì)了 2 個(gè)機(jī)械臂，一個(gè)是工程樣機(jī)（EDU）和一個(gè)是飛 行樣機(jī)（FPU），如圖 3 所表示項(xiàng)目開啟 13 個(gè)月之 后，就完成了 EDU 系統(tǒng)集成，在此 9 個(gè)月之后，又 完成了 FPUFPU 與 EDU 不一樣之處是 FPU 考慮 了真實(shí)發(fā)射情況下鎖緊裝置和熱控系統(tǒng)空間機(jī)器人第31頁(yè)Alliance Spacesystems 設(shè)計(jì)機(jī)械臂性能到達(dá) 或超出了 FREND 指標(biāo)要求，完成了振動(dòng)、熱、 EMI/EMC 試驗(yàn)，并出眾地完成了針對(duì)地球靜止軌 道衛(wèi)星兩類通用結(jié)構(gòu)抓捕試驗(yàn)5：其中一類抓捕 對(duì)象為螺栓孔，共試驗(yàn) 5 次，成功率為 100%；另 外一類抓捕對(duì)象為星箭對(duì)接環(huán)，如

25、圖 4 所表示，共試 驗(yàn)了 10 次，成功率為 100% 從 財(cái)年開始，DARPA 連續(xù) 5 年投入經(jīng)費(fèi) 支持 FREND 設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和后續(xù)應(yīng)用研究，見(jiàn)表 1FREND 機(jī)械臂優(yōu)異性能奠定了其成為空間應(yīng) 用機(jī)械臂設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地位，為 DARPA 后續(xù)在軌服 務(wù)任務(wù)項(xiàng)目標(biāo)提出提供了堅(jiān)實(shí)支撐空間機(jī)器人第32頁(yè)2.3 載人地球靜止軌道服務(wù)DARPA 經(jīng)過(guò)實(shí)施 FREND 計(jì)劃，掌握了針對(duì) 非合作目標(biāo)操控機(jī)械臂及自主迫近和抓捕控 制技術(shù)，為開展在軌服務(wù)提供了可能 財(cái)年 DARPA 開啟了“載人地球靜止軌道服務(wù)”（Manned Geostationary Earth Orbit Servicing，MEOS

26、）計(jì)劃， 探索在地球靜止軌道開展有些人和無(wú)人在軌服務(wù) 可行性、風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)，其中關(guān)注技術(shù)包含生命支 持、防輻射、艙外工具等 財(cái)年，DARPA 為該項(xiàng)目申請(qǐng)了 850 萬(wàn)美 元經(jīng)費(fèi)（注：DARPA 在 年財(cái)務(wù)預(yù)算文件中 列出了該項(xiàng)目在 財(cái)年取得資金為 400 萬(wàn)美 元，見(jiàn)表 3，但在 財(cái)年預(yù)算文件中并未出現(xiàn)該 項(xiàng)目） 財(cái)年，DARPA 調(diào)整了地球靜止軌道在 軌服務(wù)方向，重點(diǎn)研究機(jī)器人在軌服務(wù)空間機(jī)器人第33頁(yè)2.4 “鳳凰”計(jì)劃 財(cái)年，DARPA 將 MEOS 計(jì)劃正式更名為 “鳳凰”（Phoenix）計(jì)劃，將地球靜止軌道操控任務(wù) 聚焦于機(jī)器人在軌服務(wù)，經(jīng)過(guò)再利用廢棄衛(wèi)星高 價(jià)值、長(zhǎng)壽命部件，驗(yàn)證

27、低成本構(gòu)建空間新系統(tǒng) 能力實(shí)際上，DARPA 早在 年 12 月便公布 了跨機(jī)構(gòu)公告 DARPA-BAA-12-02，構(gòu)想利用機(jī)械 臂拆解和重復(fù)利用墳?zāi)管壍郎贤宋橥ㄐ判l(wèi)星天 線，為戰(zhàn)場(chǎng)指戰(zhàn)員提供一個(gè)更廉價(jià)全天時(shí)全球持 續(xù)通信能力 6“鳳凰”計(jì)劃潛在用戶是美國(guó)空軍， 原計(jì)劃于 年或 年進(jìn)行在軌驗(yàn)證“鳳凰” 計(jì)劃服務(wù)星概念圖如圖 5 所表示空間機(jī)器人第34頁(yè)系統(tǒng)組成：“鳳凰”計(jì)劃主要包含 3 個(gè)部分：服 務(wù)星（Servicer/Tender）、細(xì)胞星（Satlet）和有效載 荷在軌投送系統(tǒng)（POD），見(jiàn)表 2空間機(jī)器人第35頁(yè)“鳳凰”計(jì)劃任務(wù)流程以下：(1) 利用商業(yè)通信衛(wèi)星寄宿方式，將裝載 Sa

28、tlet 和相關(guān)工具 POD 運(yùn)輸至地球靜止軌道；(2) 將服務(wù)星發(fā)射至地球靜止軌道，機(jī)動(dòng)至承 載 POD 商業(yè)通信衛(wèi)星附近； (3) 商業(yè)通信衛(wèi)星彈出 POD，服務(wù)星靠近并抓 捕 POD，存放在服務(wù)星工具帶內(nèi)； (4) 服務(wù)星攜帶 POD 機(jī)動(dòng)至墳?zāi)管壍?，與已退 役通信衛(wèi)星交會(huì)； (5) 服務(wù)星將迫近至機(jī)械臂操作范圍內(nèi)，捕捉 目標(biāo)星，將 Satlet 衛(wèi)星安裝在目標(biāo)星天線上，激 活 Satlet，測(cè)試完后關(guān)閉 Satlet； (6) 服務(wù)星切割天線支桿，釋放退伍通信衛(wèi)星； (7) 服務(wù)星抓取天線撤離至距退伍衛(wèi)星一定距 離處，重新激活 Satlet，驗(yàn)證基本功效后釋放天線空間機(jī)器人第36頁(yè)“鳳

29、凰”計(jì)劃任務(wù)流程示意空間機(jī)器人第37頁(yè)P(yáng)hoenix 計(jì)劃起初分解為 7 項(xiàng)技術(shù)：與 FREND 機(jī)械臂兼容末端工具和軟件、遙操作及相關(guān)軟 件、新一代超冗余靈巧機(jī)械臂、工具帶、細(xì)胞衛(wèi) 星、有效載荷軌道投送系統(tǒng)、商業(yè)寄宿載荷接口 在 DARPA-BAA-13-12 中，又新增了 5 項(xiàng)，分別是 一體化靠近感知系統(tǒng)、交會(huì)靠近操作方案、N 自由 度協(xié)同測(cè)試設(shè)備、虛擬地面站以及寄宿 POD 在軌 發(fā)射7 年 7 月，DARPA 授出多份協(xié)議開展研究8 年 3 月，DARPA 一名高級(jí)官員表示， 部分美國(guó)空軍領(lǐng)導(dǎo)人對(duì) Phoenix 計(jì)劃提出質(zhì)疑， DARPA 內(nèi)部評(píng)審后，重新考慮 Phoenix 計(jì)劃

30、任 務(wù)方向 9 財(cái)年開始，Phoenix 計(jì)劃重點(diǎn)便 更改為在軌低軌驗(yàn)證 Satlet 技術(shù)，地球靜止軌道驗(yàn) 證 POD 技術(shù) 年 12 月，NovaWurks 企業(yè)細(xì) 胞星 HISat 運(yùn)往空間站，測(cè)試基于細(xì)胞體系結(jié)構(gòu) 整星在軌組裝，并在軌飛行；當(dāng)前預(yù)計(jì)于 年 發(fā)射 POD 財(cái)年 財(cái)年“鳳凰”計(jì)劃 投資見(jiàn)表 3空間機(jī)器人第38頁(yè)2.5 地球靜止軌道衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù) 年 9 月，DARPA 公布信息咨詢書 DARPASN-14-51，明確提出其地球靜止軌道操控任務(wù)優(yōu)先 考慮目標(biāo)星狀態(tài)檢測(cè)、故障修復(fù)、軌道轉(zhuǎn)移（包含 重定點(diǎn)、軌道移除、短期接管等），致力于發(fā)展公 私關(guān)系，就服務(wù)飛行器平臺(tái)設(shè)計(jì)和商業(yè)運(yùn)

31、行模式向 社會(huì)各界咨詢信息 10DARPA-SN-14-51 中服務(wù)飛 行器概念圖如圖 7 所表示空間機(jī)器人第39頁(yè)DARPA 在 財(cái)年便開始為“地球靜止軌道 衛(wèi)星機(jī)器人服務(wù)”（Robotic Servicing of Geostationary Satellites，RSGS）計(jì)劃提供研究經(jīng)費(fèi)，見(jiàn)表 4， 圍繞 DARPA-SN-14-51 中提出地球靜止軌道操控 任務(wù)開展相關(guān)研究，計(jì)劃在未來(lái) 5 年內(nèi)以公私合作 方式實(shí)現(xiàn)地球同時(shí)軌道在軌檢驗(yàn)與維護(hù)，并進(jìn)行在 軌演示驗(yàn)證空間機(jī)器人第40頁(yè) 年 3 月，DARPA 公布 RSGS 視頻和相關(guān) 報(bào)道 11，展示了機(jī)器人服務(wù)飛行器（robotic

32、servicing vehicle，RSV）在軌執(zhí)行任務(wù)基本流程，包含 目標(biāo)星帆板展開失敗、RSV 機(jī)動(dòng)至目標(biāo)附近、RSV 對(duì)目標(biāo)星 3 維重建、地面進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃、RSV 更換 末端工具、RSV 迫近與捕捉目標(biāo)星（抓捕對(duì)接環(huán)）、 地面控制中心詳細(xì)檢驗(yàn)故障、輔助帆板展開、RSV 執(zhí)行下一次任務(wù)（輔助目標(biāo)星進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)） RSV 構(gòu)想任務(wù)如圖 8 所表示空間機(jī)器人第41頁(yè)2.6 小結(jié)梳理 DARPA 地球靜止軌道操控項(xiàng)目發(fā)展脈絡(luò) （如表 5 和圖 9 所表示），以及 DARPA 在地球靜止軌 道機(jī)器人項(xiàng)目標(biāo)資金投入（見(jiàn)圖 10），可知： (1) DARPA 高度重視地球靜止軌道非合作目標(biāo) 操控從

33、FREND 開始，DARPA 便摒棄了以低軌任 務(wù)為牽引技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，聚焦于地球靜止軌道非 合作目標(biāo)操控，地球靜止軌道主要性可見(jiàn)一斑 (2) DARPA 采取以任務(wù)牽引技術(shù)發(fā)展策略 在最初階段，提出概念化任務(wù)，對(duì)共性關(guān)鍵技術(shù)進(jìn) 行攻關(guān)；掌握關(guān)鍵技術(shù)后，便詳細(xì)化任務(wù)，圍繞任 務(wù)開展技術(shù)攻關(guān) (3) DARPA 任務(wù)實(shí)施對(duì)象瞄準(zhǔn)實(shí)際在軌衛(wèi)星 Phoenix 計(jì)劃是利用廢棄衛(wèi)星有用部件，RSGS 計(jì) 劃則是服務(wù)于地球靜止軌道故障衛(wèi)星、定點(diǎn)失敗衛(wèi) 星、壽命末期衛(wèi)星，對(duì)空間碎片進(jìn)行移除等空間機(jī)器人第42頁(yè)空間機(jī)器人第43頁(yè)返回空間機(jī)器人第44頁(yè)返回火星探路者機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器勇氣號(hào)火星探測(cè)器好奇號(hào)火星探測(cè)

34、器空間機(jī)器人第45頁(yè)火星探路者火星探路者于1997年07月04日在火星表面著陸。它攜帶索杰納號(hào)火星車，是人類送往火星第一部火星車。1997年7月4日，攜帶火星探路者飛船進(jìn)入火星大氣層，由降落傘帶著以每小時(shí)88.5公里速度飄向火星表面，并在著陸前數(shù)秒鐘打開9個(gè)巨大保護(hù)氣囊。17時(shí)07分火星探路者在火星降落，在密封氣囊保護(hù)下，經(jīng)過(guò)一番彈跳翻滾之后，在火星表面停了下來(lái)。著陸成功后，飛船打開外側(cè)3個(gè)電池板，重10千克6輪“旅居者”號(hào)火星車緩緩駛離飛船，落到火星地表。其行進(jìn)路線是預(yù)先確定好， 首先朝目標(biāo)區(qū)西南部一個(gè)長(zhǎng)100公里、寬19.3公里橢圓形區(qū)域遲緩行進(jìn)。 在探測(cè)區(qū)，經(jīng)對(duì)由古代洪水沖刷形成一個(gè)48

35、8平方米小島作詳盡觀察，科學(xué)家發(fā)覺(jué)火星山谷平原暴發(fā)過(guò)屢次洪水，并有眾多由水沖擊而來(lái)圓形巖石，其中許多巖石沿同方向排列，表明它們受到一樣水流沖擊。科學(xué)家推測(cè)當(dāng)初洪水有數(shù)百公里寬，水流量為每秒100萬(wàn)立方米。空間機(jī)器人第46頁(yè)返回“火星探路者”計(jì)劃從提出到發(fā)射僅用了3年零2個(gè)月，費(fèi)用不到1.5億美元（不包含發(fā)射費(fèi)），表達(dá)了“更加快、更加好、更省”這一建造航天探測(cè)器新思緒。今后，還將發(fā)射數(shù)個(gè)“火星探路者”探測(cè)器，它們將組成“火星環(huán)境調(diào)查網(wǎng)”，用來(lái)全方面觀察火星上氣候改變和地質(zhì)結(jié)構(gòu)。到，美國(guó)將用一飛船把其中一個(gè)漫游越野車采集火星樣本帶回地球。1空間機(jī)器人第47頁(yè)機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)器機(jī)遇號(hào)主要地表任務(wù)只計(jì)劃

36、最多維持90天。任務(wù)在過(guò)去已受到屢次擴(kuò)增而且自登陸之后就已經(jīng)運(yùn)作了2605天之久。一個(gè)關(guān)于漫游車狀態(tài)每七天更新檔案可在機(jī)遇號(hào)更新檔案中找到。從一開始登陸起，在偶然情況下就降落在一個(gè)沖擊坑里，不然預(yù)計(jì)是要降落在一個(gè)平原。機(jī)遇號(hào)成功研究了土壤和巖石樣本并在登陸地點(diǎn)照下了全景照片。它采樣樣品讓NASA科學(xué)家能夠提出關(guān)于赤鐵礦存在以及過(guò)去地表存在過(guò)水份假說(shuō)。為了證實(shí)，機(jī)遇號(hào)跨越火星地表去調(diào)查另一個(gè)地點(diǎn)-忍耐撞擊坑(Endurance crater)；在年6月到12月間進(jìn)行調(diào)查。隨即，機(jī)遇號(hào)調(diào)查了它自己在降落過(guò)程中所拋棄防熱護(hù)盾撞擊地點(diǎn)并發(fā)覺(jué)了完整無(wú)缺隕石，也就是以后定名防熱護(hù)盾巖(Heat Shield Rock)。從204月下旬到該年六月初，機(jī)遇號(hào)數(shù)個(gè)輪子充滿危險(xiǎn)地卡在了沙丘里。在地球上進(jìn)行了超出了6周物理模擬來(lái)尋找最正確方法讓它從沙中脫困以防止永久卡住而報(bào)廢。以后在一次幾厘米移動(dòng)之后才成功脫困，并繼續(xù)它旅程?？臻g機(jī)器人第48頁(yè)返回在年10月到203月之間，機(jī)遇號(hào)朝向了南方維多利亞撞擊坑前進(jìn)，途中經(jīng)過(guò)了一個(gè)大而淺且部分受到覆蓋隕石坑-黑暗撞擊坑(Ere