戴振東(南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，南京210016)

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空間機(jī)器人的若干前沿領(lǐng)域:研究進(jìn)展和關(guān)鍵技術(shù)

戴振東
(南京航空航天大學(xué)仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，南京210016)

摘要:基于空間環(huán)境和在軌任務(wù)的特殊性導(dǎo)致的空間機(jī)器人不同于地面機(jī)器人的特點(diǎn)，討論了面向航天產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)路線圖的確定方法，論述了航天員心理陪護(hù)機(jī)器人的要求和研究方法，重點(diǎn)分析了非合作目標(biāo)捕獲過(guò)程面臨的非線性碰撞接觸動(dòng)力學(xué)等前沿科學(xué)問(wèn)題和沖擊載荷下空間漂浮系統(tǒng)的穩(wěn)定控制等關(guān)鍵技術(shù)；并針對(duì)未來(lái)空間裝備巨型化趨勢(shì)，介紹了大型機(jī)械臂研制、多機(jī)器人協(xié)調(diào)和大延遲下對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)智能化的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞:在軌服務(wù)；非合作目標(biāo)捕獲；航天機(jī)器人；航天員陪護(hù)；多機(jī)器人協(xié)調(diào)

1　引言

空間機(jī)器人是為適應(yīng)航天任務(wù)的變化而發(fā)展起來(lái)的，涉及空間站建設(shè)維護(hù)、在軌服務(wù)、航天員作業(yè)輔助到對(duì)非合作目標(biāo)作業(yè)的各個(gè)方面[1-2]。1992年我國(guó)啟動(dòng)了載人航天工程，已成功實(shí)現(xiàn)5次無(wú)人飛船飛行和5次載人飛行，掌握了載人天地往返、航天員出艙活動(dòng)和空間交會(huì)對(duì)接相關(guān)的核心技術(shù)，奠定了空間站建造的基礎(chǔ)能力。2010 年9月國(guó)家批準(zhǔn)載人空間站工程，隨著工程的進(jìn)展，未來(lái)空間站檢測(cè)維護(hù)、航天員作業(yè)輔助等任務(wù)，對(duì)空間機(jī)器人提出了新的技術(shù)需求[3]。此外，隨著我國(guó)高價(jià)值航天器的發(fā)射、在軌運(yùn)行，受燃料耗盡、空間碎片和故障等的影響，這些空間資產(chǎn)的維護(hù)和能力保障必將成為提高航天效率、保障航天器能力的重要議題。在軌服務(wù)技術(shù)可提高航天器運(yùn)行可靠性，降低總體研制運(yùn)行成本；利用在軌維修代替整星替換，提高航天器研制效率；在軌制造、組裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)航天器的優(yōu)化設(shè)計(jì)；空間碎片移除、輔助離軌、在軌維修等商業(yè)應(yīng)用；促進(jìn)航天器研制變革；牽引帶動(dòng)多學(xué)科、新技術(shù)發(fā)展。本文結(jié)合我們的工作和思考，回顧空間機(jī)器人在載人航天、在軌服務(wù)等方面的研究進(jìn)展和面臨的問(wèn)題。

2　關(guān)鍵技術(shù)的提出和確立

正確地提出問(wèn)題，是解決問(wèn)題的最重要一步。NASA提出了一套確定未來(lái)人類(lèi)太空探索任務(wù)的技術(shù)路線圖方法[4]，值得關(guān)注。以制定“環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)”(Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS)路線圖為例，系統(tǒng)目標(biāo)是增強(qiáng)國(guó)際空間站(ISS)的長(zhǎng)期作業(yè)能力，滿足超低地球軌道(LEO)人類(lèi)探索任務(wù)。達(dá)到上述目標(biāo)，需要優(yōu)先發(fā)展三種基本的任務(wù)能力和技術(shù)，即短期微重力、長(zhǎng)期微重力和長(zhǎng)期部分重力探索任務(wù)；然后把ECLSS功能分解為三個(gè)主要功能:大氣、水和固體廢物的管理；進(jìn)一步把子功能的技術(shù)需求與現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)(SOA)對(duì)接，再由美國(guó)宇航局主題專(zhuān)家評(píng)估單個(gè)的先進(jìn)技術(shù)能夠在何種程度上滿足上述三種任務(wù)的功能需求。當(dāng)SOA不能滿足一個(gè)或多個(gè)任務(wù)需求時(shí)，這些有差距的方面被確定為需要優(yōu)先發(fā)展的技術(shù)列入需求表，用于指導(dǎo)ECLSS的關(guān)鍵技術(shù)投資。有些內(nèi)容作為需要探索的技術(shù)，隨時(shí)間推移，滿足這些需求的策略構(gòu)成了技術(shù)發(fā)展路線圖。執(zhí)行該路線圖，促進(jìn)硬件和技術(shù)發(fā)展，使國(guó)際空間站的作業(yè)能力和多用途載人飛船(MPCV)的能力得到提升[4]。借鑒上述思路，對(duì)空間機(jī)器人發(fā)展的若干方面給予分析。2015年歐盟剛剛發(fā)布的Space Robot項(xiàng)目計(jì)劃[5]，也對(duì)研究的目標(biāo)任務(wù)、單位的資質(zhì)、研究基礎(chǔ)和計(jì)劃進(jìn)度有明確的要求，體現(xiàn)了面向航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求的基礎(chǔ)研究規(guī)劃的特點(diǎn)。

3　航天員陪護(hù)機(jī)器人

在航天工程中，載人航天具有特別重要的意義，一方面航天員對(duì)環(huán)境全面細(xì)致的感知、智能判斷和情感體驗(yàn)具有不可替代的作用和地位。另一方面，為保障航天員的生命和健康，空間站系統(tǒng)也需要付出巨大的代價(jià)。在空間站上，為保障航天員安全所付出的成本非常高，同時(shí)航天員出艙作業(yè)也具有風(fēng)險(xiǎn)高、效率低、作業(yè)時(shí)間短等特點(diǎn)，發(fā)展航天機(jī)器人，把機(jī)器人環(huán)境敏感度低、適應(yīng)性高、作業(yè)力大等特點(diǎn)和航天員的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，是未來(lái)空間站系統(tǒng)人機(jī)協(xié)同作業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。從功能角度看，航天員輔助作業(yè)機(jī)器人可分為協(xié)助、替代和陪護(hù)機(jī)器人。協(xié)助和替代航天員作業(yè)的機(jī)器人可替代航天員完成一些危險(xiǎn)或者不能完成的任務(wù)，如艙內(nèi)狹小空間內(nèi)的檢測(cè)、清理等?；蛟诤教靻T作業(yè)時(shí)提供必要的輔助，如輔助固定航天員，使其有更好的工作狀態(tài)，在航天員出艙作業(yè)時(shí)提供輔助的運(yùn)動(dòng)、材料轉(zhuǎn)運(yùn)等。航天機(jī)器人在作業(yè)輔助方面的研究進(jìn)展已經(jīng)有相當(dāng)?shù)木C述[6-7]，本文不做重復(fù)，而側(cè)重討論已有文獻(xiàn)討論較少的方面—航天機(jī)器人的陪護(hù)功能。

然而狹小空間、失重、孤獨(dú)等特殊的環(huán)境，對(duì)航天員的心理健康會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)負(fù)面的影響，陪護(hù)機(jī)器人是針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題而提出的。美國(guó)NASA研制驗(yàn)證了Robonaut[8]，日本驗(yàn)證了仿人機(jī)器人[9-10]的陪護(hù)方面的效果。這方面老人陪護(hù)機(jī)器人的研制經(jīng)驗(yàn)可以參考，如早稻田大學(xué)的菅野重樹(shù)教授歷時(shí)7年開(kāi)發(fā)的TWENDY-ONE陪護(hù)機(jī)器人，歐洲在FP7計(jì)劃中開(kāi)展的輕度認(rèn)知障礙和獨(dú)居老年陪護(hù)機(jī)器人的研究[11]，特別是陪護(hù)的心理基礎(chǔ)研究。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象與親人和朋友的影像交流、認(rèn)知訓(xùn)練等。Syrdal等研究了人與機(jī)器人的相互作用，在1. 5月的相處中，8個(gè)受試者報(bào)告，具有肢體行為的機(jī)器人更加友好，結(jié)果表明:盡管表達(dá)和交際能力在建立親密關(guān)系和與人的互相作用中非常重要，但一定不能忽視實(shí)時(shí)共享物理空間過(guò)程中的身體親密接觸的重要性[12]。2008年Marcel結(jié)合老人陪護(hù)需求，建立了計(jì)量、預(yù)測(cè)和解釋機(jī)器人陪護(hù)接受度的方法，研究了人和機(jī)器人的社會(huì)能力和社會(huì)存在對(duì)人快樂(lè)感知的影響。先通過(guò)一組人陪護(hù)的實(shí)驗(yàn)(n =30)確定參考數(shù)據(jù)，再以機(jī)器人陪護(hù)作為第二組(n = 40)，在對(duì)比條件下，確認(rèn)社會(huì)能力和社會(huì)存在與快樂(lè)感知間的相關(guān)性。結(jié)果表明，當(dāng)人和陪護(hù)機(jī)器人相互作用時(shí)，機(jī)器人的社會(huì)能力和社會(huì)存在對(duì)快樂(lè)感知做出了貢獻(xiàn)時(shí)，被陪護(hù)者更快樂(lè)，從而得到更高的評(píng)估分[13]。該研究把機(jī)器人的社會(huì)功能和使用者的可接受度結(jié)合起來(lái)，對(duì)航天陪護(hù)機(jī)器人提出了新的研究方向。

4　非合作目標(biāo)的捕獲

對(duì)非合作目標(biāo)捕獲是目前國(guó)際在軌服務(wù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1，14-15]。這里非合作目標(biāo)通常指空間碎片、失效航天器和沒(méi)有合作意愿的航天器，本文僅討論前兩種情況。研究表明[16]，在太陽(yáng)風(fēng)和重力梯度等因素影響下，空間碎片和失效航天器往往會(huì)處于進(jìn)動(dòng)狀態(tài)，因此與工作航天器(空間機(jī)械臂或者空間機(jī)器人)間存在多維度的位置(幾何長(zhǎng)度和角度)差異，特別是相對(duì)工作航天器的轉(zhuǎn)動(dòng)使捕獲變得非常困難。因此，類(lèi)似空間站對(duì)接那樣的作業(yè)幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，工作航天器和碎片及失效航天器間會(huì)存在相對(duì)的碰撞。

目前的捕獲方式有機(jī)械臂、繩系和微小衛(wèi)星捕獲等。捕獲過(guò)程可以分為捕獲前、捕獲中和捕獲后。捕獲前的主要任務(wù)是確定被捕獲目標(biāo)的幾何外形、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、慣量、質(zhì)心和到抓捕點(diǎn)的距離等參數(shù)，通常采用視覺(jué)方法；捕獲中的研究重點(diǎn)是工作航天器和目標(biāo)航天器間的碰撞，特別是動(dòng)力學(xué)和控制問(wèn)題；捕獲后的主要問(wèn)題是系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。

捕獲前的主要任務(wù)是采用非接觸方式，確定被捕獲目標(biāo)的幾何外形、相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)、慣量、質(zhì)心和到抓捕點(diǎn)的距離等參數(shù)[17]。以便確定合適的捕獲位置，規(guī)劃空間機(jī)器人作業(yè)過(guò)程的路徑和軌跡[18]。Yoshida等介紹了利用動(dòng)量守恒和識(shí)別算法，建立轉(zhuǎn)矩或加速度測(cè)量的慣性參數(shù)(如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性積)的識(shí)別方法，并在ETSVII上驗(yàn)證了算法[19]。張帆和黃攀峰報(bào)道了根據(jù)目標(biāo)星和繩的主動(dòng)特性，判斷抓捕目標(biāo)的慣量、質(zhì)心和到抓捕點(diǎn)的距離等參數(shù)的方法[17]。劉玉等對(duì)該領(lǐng)域的研究做了總結(jié)，論述了空間機(jī)械臂視覺(jué)測(cè)量技術(shù)的要點(diǎn)，包括對(duì)手眼關(guān)系標(biāo)定、標(biāo)志器識(shí)別以及相對(duì)三維位姿測(cè)量等。以加拿大機(jī)械臂為例，提出一種基于邊緣特征的標(biāo)志器識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了位姿求解，用機(jī)械臂原理樣機(jī)驗(yàn)證了方法[20]。

日本利用國(guó)家太空發(fā)展署(NSADA) 1997年發(fā)射的試驗(yàn)衛(wèi)星七號(hào)(ETS-VII)上配置的長(zhǎng)2 m 的6自由度機(jī)械臂，完成很多在軌機(jī)器人實(shí)驗(yàn)，特別是對(duì)自由飛行衛(wèi)星的捕獲[21]。Yoshida詳細(xì)回顧了自由飛行空間機(jī)器人涉及的動(dòng)力學(xué)和控制問(wèn)題，討論了在ETS-VII上完成的測(cè)試和驗(yàn)證結(jié)果。認(rèn)為ETS-VII是一個(gè)重要的里程碑，而不是最終目的，目的是用機(jī)器人開(kāi)展在軌衛(wèi)星的服務(wù)，組建低軌道通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或星座。他基于對(duì)自由飛行多體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)，提出一種無(wú)作用力操縱，或零反力機(jī)動(dòng)(ZRM)的概念，其實(shí)際可用性在ETS-VII上得到驗(yàn)證，表明ZRM是一個(gè)特別有用的方法[22]。Inaba等用ETS-VII首次成功捕獲一顆自由漂浮衛(wèi)星[23]，并針對(duì)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、空間運(yùn)動(dòng)范圍大的客戶衛(wèi)星的燃料加注、修理和軌道維持等在軌服務(wù)需求，在地面站和空間機(jī)器人間的通信延遲可能造成控制回路的不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用在軌“機(jī)器視覺(jué)”，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂捕捉的自主作業(yè)。

捕獲過(guò)程的核心問(wèn)題是工作航天器和目標(biāo)航天器間的剛性體的碰撞接觸。該過(guò)程沖擊載荷大、作用時(shí)間短、存在碰撞后再次分離的可能，是復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。Yoshida研究了機(jī)械手捕獲過(guò)程的阻抗控制方法，其中阻抗匹配是關(guān)鍵，匹配的目標(biāo)是滿足非合作衛(wèi)星捕獲的需求，阻抗匹配的標(biāo)準(zhǔn)值是沖擊接觸后物體保持在目標(biāo)上，或者目標(biāo)反彈離開(kāi)。作者用兩個(gè)機(jī)器人機(jī)械手作為沖擊的目標(biāo)和被沖擊目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模擬器，把該策略用于衛(wèi)星捕獲操作的模擬，即把一個(gè)阻抗控制探針插入到目標(biāo)的推進(jìn)器錐形噴嘴，驗(yàn)證了阻抗匹配的概念[24]。進(jìn)一步，對(duì)姿態(tài)失控衛(wèi)星的捕獲，Yoshida從角動(dòng)量分布的角度，研究如何使接觸前后的基本偏差達(dá)到最小，依然采用中阻抗控制方法研究沖擊過(guò)程，接近階段使用偏置動(dòng)量方法，撞擊后采用分布式動(dòng)力控制方法。由此建立了成功完成捕獲操作的控制序列[25]。陳歡龍等分析了7自由度空間機(jī)械臂目標(biāo)捕獲過(guò)程的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，也是把機(jī)械臂末端執(zhí)行器與目標(biāo)適配器導(dǎo)向插入過(guò)程，采用阻抗控制方法，將機(jī)械臂末端測(cè)量的反作用力和力矩轉(zhuǎn)化為位置增量，從而提高機(jī)械臂的主動(dòng)柔性。結(jié)果表明，抗控制方法可減小機(jī)械臂末端作用力和關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，補(bǔ)償機(jī)械臂位置控制的誤差，保證機(jī)械臂對(duì)目標(biāo)的捕獲精度[26]。

對(duì)采用雙臂機(jī)器人實(shí)現(xiàn)非合作目標(biāo)的捕獲問(wèn)題，關(guān)注點(diǎn)為捕獲過(guò)程沖擊對(duì)機(jī)械臂母體的影響，通過(guò)分析捕獲前后機(jī)械臂和目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)來(lái)解決[27-28]。在控制方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)可行的控制方法[29]。在動(dòng)力學(xué)模型方面，Liu等研究柔性雙臂空間機(jī)器人捕獲目標(biāo)時(shí)有效載荷的碰撞對(duì)體系動(dòng)力學(xué)和控制的影響，把兩個(gè)柔性機(jī)械臂鏈等價(jià)為兩階彎曲模式的Euler-Bernoulli梁，基于拉格朗日公式建立機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了PD控制器，以便保持機(jī)器人系統(tǒng)在捕獲目標(biāo)后的穩(wěn)定性。對(duì)比了機(jī)器人系統(tǒng)在碰撞后有控制和沒(méi)有控制條件下系統(tǒng)的穩(wěn)定性的演化。結(jié)果表明，沖擊對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的影響很大，狀態(tài)反饋控制能夠使機(jī)器人的基座和效應(yīng)器的關(guān)節(jié)角更快地達(dá)到穩(wěn)定[30]。

Abiko等[31]研究了模型不確定的情況下，自由漂浮空間機(jī)器人的自適應(yīng)控制問(wèn)題，這類(lèi)問(wèn)題是碎片和未知非合作目標(biāo)捕獲中常見(jiàn)的問(wèn)題。作者導(dǎo)出了一個(gè)新穎高效的空間動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，提出一種自適應(yīng)控制方法，以補(bǔ)償模型的不確定性。為改進(jìn)性能，還提出一種綜合考慮軌跡誤差和反力的復(fù)合自適應(yīng)控制方法，并通過(guò)三維數(shù)值模擬，證實(shí)了方法的有效性。

繩系是建立目標(biāo)航天器和工作航天器及其母船聯(lián)系的另一種方法，預(yù)期的應(yīng)用包括衛(wèi)星服務(wù)、檢查空間結(jié)構(gòu)、軟著陸等。被繩系的子系統(tǒng)設(shè)想為多體機(jī)器人，通過(guò)系繩張力控制其運(yùn)動(dòng)，僅在繩系的子系統(tǒng)的質(zhì)量中心位于張緊力的延長(zhǎng)線上時(shí)子系統(tǒng)才能平衡。偏離平衡時(shí)，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的子系統(tǒng)由于纜索張力而相互影響，振動(dòng)通過(guò)多體子系統(tǒng)繩系部位的動(dòng)作控制系繩張力以抑制振動(dòng)。該方法在繩系衛(wèi)星控制的可行性已經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，實(shí)驗(yàn)所需微重力環(huán)境可用自由下落實(shí)驗(yàn)或者用飛機(jī)做拋物線飛行的方法獲得[32]。

5　空間站建設(shè)與多機(jī)器人作業(yè)

5. 1 新型空間機(jī)械臂系統(tǒng)

空間機(jī)械臂是最基礎(chǔ)、發(fā)展最早和最重要的空間機(jī)器人，在國(guó)際空間站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中發(fā)揮了不可替代的作用。在我國(guó)未來(lái)的空間站建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)中依然會(huì)扮演重要角色。對(duì)這類(lèi)機(jī)械臂系統(tǒng)于登云等做了很好的回顧。討論了空間機(jī)械臂的關(guān)鍵技術(shù)，包括空間生存與性能保持、空間驅(qū)動(dòng)與伺服、空間建標(biāo)與測(cè)量、天地協(xié)同控制與示教、地面仿真訓(xùn)練與環(huán)境模擬和發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題[33]。2015年中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部完成了空間站大型機(jī)械臂初樣結(jié)構(gòu)臂力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。對(duì)于深入了解空間機(jī)器人系統(tǒng)的力學(xué)性能、確定大型復(fù)雜空間機(jī)器人系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)條件和方法具有重要意義，標(biāo)志我國(guó)大型空間機(jī)械臂的研究進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列[34]。

徐文福等[35]研究了如何確定空間機(jī)械臂的總體技術(shù)指標(biāo)問(wèn)題。對(duì)照NASA的程序[4]，該工作是總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作者從任務(wù)目標(biāo)出發(fā)，結(jié)合總體約束條件，對(duì)空間機(jī)械臂的長(zhǎng)度、末端位姿精度、末端最大運(yùn)動(dòng)速度、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行論證；建立系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，分析常規(guī)和極限工況下空間機(jī)械臂的帶載操作過(guò)程的動(dòng)力學(xué)行為，驗(yàn)證所確定的總體技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明，所提出的思路和方法對(duì)于空間機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和研制具有參考作用。

機(jī)械臂關(guān)節(jié)要求大減速比、高剛度、低重量和高效率，并具有結(jié)構(gòu)緊湊，控制復(fù)雜等特點(diǎn)，常用諧波減速器減速，這類(lèi)減速器軸心孔很小，使通過(guò)關(guān)節(jié)軸心穿過(guò)各種線纜的常用設(shè)計(jì)方案更加困難。陳少帥[36]研制了外形尺寸小、軸心孔徑較大、減速比大、傳動(dòng)精度高、扭轉(zhuǎn)剛度大、壽命長(zhǎng)的諧波減速器。采取的主要措施包括，選用合適的齒形輪廓和傳動(dòng)比，優(yōu)化齒輪的變位系數(shù)和齒高修形參數(shù)，對(duì)柔輪進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化，建立剛度模型，得到剛度曲線。對(duì)加工完成的諧波減速器測(cè)定了回差和傳動(dòng)精度。危清清等[37]研究了機(jī)械臂大傳動(dòng)比關(guān)節(jié)的輕量化、高剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，用集中參數(shù)法和剛度串聯(lián)原理，建立了復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)節(jié)等效剛度的計(jì)算模型，分析了各級(jí)齒輪扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)關(guān)節(jié)總扭轉(zhuǎn)剛度的影響。石進(jìn)峰等[38]研究了空間機(jī)械臂的熱防護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題，針對(duì)需求和單元部件的特性，設(shè)定驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)溫度- 22℃～+ 23℃，末端作用器溫度- 22℃～+ 30℃，手眼相機(jī)溫度-6℃～+ 3℃，在此基礎(chǔ)上，確定各散熱面尺寸及補(bǔ)償加熱功耗?？紤]到系統(tǒng)的復(fù)雜性，用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法建立了熱平衡溫度預(yù)測(cè)的迭代方程式，確定了影響系統(tǒng)溫度的各因素的合理取值范圍。

5. 2 多機(jī)器人協(xié)調(diào)與控制技術(shù)

多機(jī)器人協(xié)同是在單機(jī)器人難于完成既定任務(wù)情況下的選擇，特別適用于大型結(jié)構(gòu)的分布式作業(yè)，在國(guó)防、空間和其他領(lǐng)域已被廣泛關(guān)注。Lucas[39]總結(jié)了多機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了多機(jī)器人的凝聚交互模型，認(rèn)為短期內(nèi)多機(jī)器人在國(guó)防和空間應(yīng)用的主要出路是分布式和復(fù)雜系統(tǒng)，對(duì)研究方向和未來(lái)發(fā)展給出了預(yù)測(cè)和建議。部分航天器未來(lái)會(huì)向結(jié)構(gòu)更大的方向發(fā)展，如在軌太陽(yáng)能發(fā)電站、太空望遠(yuǎn)鏡、巨型天線等大型結(jié)構(gòu)，采用在軌裝配、在軌制造等方法可節(jié)省大量發(fā)射空間和費(fèi)用，具有很好的發(fā)展前景。而在軌裝配制造需要空間機(jī)器人的協(xié)調(diào)作業(yè)，但多機(jī)器人作業(yè)過(guò)程可能誘發(fā)振動(dòng)，在微重力和低阻尼情況下，這類(lèi)振動(dòng)可能引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞，因此如何控制機(jī)器人與航天器結(jié)構(gòu)間保持持續(xù)的直接接觸是最大挑戰(zhàn)之一，基于范德華力的仿壁虎干黏附技術(shù)可望在固體間形成持續(xù)穩(wěn)定的黏附接觸力，為解決該問(wèn)題提供支持[7]。此外大型結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性控制也是面臨的一大難題，通常物理模型是把多機(jī)器人和航天器本體作為一個(gè)可變質(zhì)量分布的組合體，該組合體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型為一組非線性偏微分方程，該方程組可轉(zhuǎn)化為一組線性時(shí)變常微分方程。方程求解中，考慮機(jī)器人的固有頻率遠(yuǎn)高于航天器結(jié)構(gòu)的值，可采用頻率差異實(shí)現(xiàn)解耦，然后用線性最優(yōu)控制方法降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)，仿真和實(shí)驗(yàn)研究證明該方法是有效的[40-41]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，通過(guò)在連接部位引入干黏附阻尼層，也可能對(duì)振動(dòng)抑制起到很好的作用。

5. 3 遙操作技術(shù)

人在回路的機(jī)器人控制方法，因?yàn)橐肓巳说闹悄?，具有更高的可靠性，同時(shí)降低了對(duì)機(jī)器人自主控制的要求，成為機(jī)器人領(lǐng)域優(yōu)先選擇的控制方法。但在航天領(lǐng)域，由于通信延時(shí)等往往會(huì)引發(fā)機(jī)器人控制缺失，為此大量研究針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展。Yoon等[42]為有效手動(dòng)操控在軌目標(biāo)，提出基于命令的空間機(jī)器人的力和運(yùn)動(dòng)混合遙控操作模型，開(kāi)發(fā)了一種6自由度觸覺(jué)系統(tǒng)，其特點(diǎn)是對(duì)建模錯(cuò)誤具有魯棒性，能夠?qū)崿F(xiàn)操作員遠(yuǎn)程施加力作業(yè)；并用ETS-VII機(jī)器人系統(tǒng)，完成了面跟蹤和釘入孔的任務(wù)；對(duì)比了主-從控制方法和力操作桿控制方法的效果，結(jié)果表明主從控制方法在從機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方向和操作者力的方向不一致時(shí)完成接觸任務(wù)效果最佳，在面跟蹤上也一樣。在國(guó)內(nèi)，宋愛(ài)國(guó)等也開(kāi)展了大量出色的研究[43]。

6　結(jié)論和建議

隨著我國(guó)載人航天的發(fā)展、空間資產(chǎn)的增加和在軌航天器使用年限的增加，對(duì)空間機(jī)器人提出了各種迫切的需求。從國(guó)外航天強(qiáng)國(guó)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)看，基于任務(wù)需求的新技術(shù)必將成為我國(guó)航天機(jī)器人發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力，關(guān)鍵技術(shù)路線圖的提出和確立需要充分考慮發(fā)揮我國(guó)在材料、技術(shù)、裝備和管理等方面的優(yōu)勢(shì)，集產(chǎn)業(yè)需求、研究發(fā)現(xiàn)和技術(shù)基礎(chǔ)，形成基于我國(guó)技術(shù)優(yōu)勢(shì)的航天機(jī)器人技術(shù)。在航天員陪護(hù)機(jī)器人研究領(lǐng)域需要引入心理和神經(jīng)科學(xué)的研究，從跨學(xué)科的角度尋求解決方案。在非合作目標(biāo)的捕獲方面，同樣需要多學(xué)科的交互，從視覺(jué)識(shí)別，非線性沖擊接觸力學(xué)和浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定等方面開(kāi)展研究。同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械臂領(lǐng)域要進(jìn)一步提高性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以滿足空間站建設(shè)的需要，多機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)涉及因素更多，需結(jié)合任務(wù)背景開(kāi)展有目標(biāo)的研究。

致謝:本文撰寫(xiě)中受到各位專(zhuān)家的啟發(fā)，他們是:果琳麗、彭福軍、李志、王春慧等，特此感謝。

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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

作者簡(jiǎn)介:戴振東(1962 - )，男，博士，教授，研究方向?yàn)榉律Y(jié)構(gòu)與材料、特別是仿壁虎干黏附技術(shù)及其航天應(yīng)用。E-mail:zddai@ nuaa. edu. cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51435008)；基本科研業(yè)務(wù)項(xiàng)目(3082013NP2013502)

收稿日期:2015-11-10；修回日期:2015-12-12

中圖分類(lèi)號(hào):V11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-5825(2016)01-0009-07