王彗木，劉 偉，高 揚

(1.中國科學院空間應用工程與技術中心,北京100094；2.法國里昂國立應用科學學院,里昂,法國；3.中科院太空應用重點實驗室,北京100094；4.中國科學院大學,北京100049)

1 引言

美國航天局曾經推動的“小行星重定向任務”(Asteroid Redirect Mission,ARM)決定用無人航天器捕獲一顆近地小行星(后又被更改為從一顆小行星表面采集一塊巨石),然后將其帶回至月球附近軌道,再發(fā)射載人飛船前往探索與利用［1］。ARM任務是美國航天局在載人航天重返月球的“星座計劃”取消之后提出的,一方面希望超越上世紀60年代的阿波羅登月計劃,另一方面要為載人登陸火星計劃驗證若干關鍵技術。除此之外,ARM任務也是小行星礦產開采與運輸、小行星軌道偏轉以防護地球等未來深空任務的一種展示。

在ARM任務中,無人航天器在接近目標小行星后捕獲目標、改變運動姿態(tài)并實施拖曳的過程,在本文中被統(tǒng)稱為“小行星捕獲”,是任務實施過程的關鍵步驟。從技術手段的基本原理來看,以小行星為目標的捕獲可以歸結為空間非合作目標捕獲的一種特殊形式。然而,相比于傳統(tǒng)的空間非合作目標(如空間碎片、故障人造衛(wèi)星等),有關小行星的如旋轉狀態(tài)、表面情況、質量與慣量等信息更加缺乏。除此之外,目標小行星的質量可達幾百噸級,直徑可達數(shù)米至數(shù)十米,均遠遠大于一般的空間目標。

目前,對空間非合作目標的捕獲方法可分為兩大類。第一類是剛性捕獲,通過機械臂對目標進行捕獲,如德國航天局與俄羅斯聯(lián)合開展的空間系統(tǒng)演示與驗證技術衛(wèi)星(TECSAS)項目［2］、美國國防預先研究計劃局發(fā)起的全能軌道操縱飛行器(SUMO)/前端機器人使能近期演示驗證(FREND)項目［3］。第二類是柔性捕獲,使用繩索/繩網進行輔助對目標進行捕獲,如TUI(Tether Unlimited Inc.)提出的 GRASP 系統(tǒng)［4］,利用繩索在剛性桿件的支撐下形成一個網狀結構,在交會過程中可靠地抓捕載荷；歐洲空間局的ROGER項目通過使用繩索連接機械爪捕獲終端、網型捕獲終端、機械臂等對目標進行捕獲［5］。

對于ARM任務的捕獲目標(直徑數(shù)米的小行星、質量可達幾百噸),目前主要方案是采用機械臂或者大型口袋進行捕獲,分屬于剛性捕獲和柔性捕獲。本文在分析采用機械臂或大型口袋捕獲小行星的優(yōu)缺點的基礎上,提出一種利用“繩網飛行器”與“繩系機械爪”相結合的小行星捕獲新概念方案,并對繩網收口機構的儲能方式、收口機構以及機械爪抓取方式進行了針對性的改進設計,以在改變拖曳方向時減少能源消耗。

2 捕獲小行星方案

2.1 機械臂或大型口袋捕獲方案

ARM任務采用機械臂或大型口袋捕獲小行星目標的概念原理如圖1所示,兩種方案都需要包絡整顆小行星［1］。對于直徑數(shù)米(后文中以十米為參考值)的目標,所需機械臂或口袋的規(guī)模相比已有同類技術均需大幅提升。ARM后續(xù)方案將捕獲整塊小行星改為采用機械臂捕獲小行星表面巨石,如圖2所示,很大程度上也是考慮到捕獲整顆小行星的技術挑戰(zhàn)不易在短期內解決［1］。

對于直徑數(shù)米、質量可達幾百噸的小行星(或更小的小行星表面巨石),如果使用機械臂或大型口袋進行捕獲,具有相當大的技術難度,根本原因在于對小行星基本信息的缺失。潛在的技術困難列舉如下：

1)小行星的形狀、結構、質量和慣量等特性,只有在探測飛行器接近后才有可能開展精細探測,任務開展之前難以確定或準確度有限,機械臂或大型口袋的技術方案在設計初期就面臨挑戰(zhàn)。

2)小行星大多數(shù)是處于姿態(tài)旋轉狀態(tài),且旋轉狀態(tài)事先不易精確確定。一方面機械臂或大型口袋穩(wěn)定包絡目標具有技術難度；另一方面機械臂與探測飛行器之間以剛性連接為主,有著非常強的動力學耦合特性,抓捕目標過程的穩(wěn)定控制問題非常復雜。

3)處于姿態(tài)旋轉狀態(tài)的小行星即使能夠成功被機械臂或大型口袋包絡,在此之后實施定向拖曳也是技術挑戰(zhàn)。探測飛行器需要巨大的阻尼力矩來改變小行星的姿態(tài)運動,阻尼力矩的實現(xiàn)是一項技術難題。

4)機械臂在包絡小行星之后,需要設法固定于小行星；但是,小行星表面的地質結構事先并不清楚,有可能是由碎石松散的堆積起來,孔隙極多,機械臂末端不易實現(xiàn)錨定。若難以實現(xiàn)錨定,探測飛行器、機械臂、小行星之間的動力學耦合進一步復雜化,不利于后續(xù)的穩(wěn)定拖曳。

基于以上分析,使用機械臂或大型口袋捕獲小行星目標的方式技術挑戰(zhàn)大、風險高,因此本文提出一種新的捕獲方案,用于克服(或避免)上述的技術難題。

2.2 “繩網飛行器+繩系機械爪”捕獲方案

參照空間繩網系統(tǒng)捕獲非合作目標的方式,提出一種繩網飛行器的概念。如圖3所示,正方形繩網的頂點質量塊是能夠獨立飛行的微納衛(wèi)星平臺,具備軌道與姿態(tài)機動能力,該類型繩網在本文中被稱為“繩網飛行器”。根據(jù)被捕獲目標的形狀與結構,繩網的形狀與頂點可以采用不同的設計。繩網飛行器相當于一種柔性飛行器,可以進行獨立飛行,其最大構形取決于繩網完全展開的形狀。一般而言,繩網材料需要強度高、質量輕、耐高溫、柔性好等基本特性,碳纖維類材料是較為合適的選擇。繩網飛行器由探測飛行器釋放,釋放前處于收攏狀態(tài),在探測飛行器附近自主地或接受指令開展空間操作,空間操作過程中與探測飛行器沒有接觸。

空間繩系系統(tǒng)與繩網飛行器相似,已有較多研究成果,如歐洲在1997年和2007年設計的YES和 YES2系統(tǒng)［6］,美國在 2003年設計的ProSEDS系統(tǒng)［7］,以及 2007 年設計的 MAST 系統(tǒng)［8］。與空間繩系系統(tǒng)相比,繩網飛行器的不同之處在于可以通過質量塊協(xié)同控制軌道和姿態(tài)。首先,繩網飛行器實現(xiàn)與小行星目標的運動狀態(tài)同步；然后,繩網飛行器接觸小行星實現(xiàn)包絡；最后,繩網飛行器通過質量塊“交會對接”并拉緊繩網實現(xiàn)對小行星的捕獲,即小行星被繩網完全包裹。這是一個非合作目標“合作化”的過程。探測飛行器沒有接觸式的參與,全程處于安全狀態(tài),并可以操控繩網飛行器的捕獲過程。此外,探測飛行器可以攜帶多顆繩網飛行器作為冗余備份。

在繩網飛行器捕獲目標后,探測飛行器釋放繩系機械爪,繩系機械爪本身也具有機動能力。機械爪尋找合適的繩網結點(見圖4)并實現(xiàn)抓取,從而實現(xiàn)探測飛行器與小行星的實質接觸。

顯然,此類接觸是一種柔性連接方式,使得探測飛行器與目標小行星之間有足夠的安全距離。即使機械爪抓取過程發(fā)生意外,也可以及時切斷繩索或機械爪張開脫離與小行星的接觸。相對機械臂的剛性連接而言,探測飛行器的安全性得到了極大的提升,捕獲失敗對探測飛行器的影響也大大降低。

基于以上分析,對ARM任務擬采取繩網捕獲的柔性捕獲方式,任務大體上分成三個階段：第一階段是靠近并調整,探測器通過軌道機動靠近捕獲目標,進行相應的姿態(tài)調整以瞄準目標；第二階段是發(fā)射及收口,探測器發(fā)射繩網,繩網在捕獲目標后由收口機構進行收口；第三階段是抓取及拖拽,在繩網捕獲目標后,由探測器發(fā)射機械爪抓取繩網,消旋后進行拖拽。捕獲過程如圖5所示。

3 “繩網飛行器+繩系機械爪”方案的優(yōu)勢與難點分析

3.1 與機械臂或大型口袋相比的優(yōu)勢

基于空間繩系系統(tǒng)的可行性,設想一個以繩系系統(tǒng)為基礎的空間捕獲計劃?？臻g繩系系統(tǒng)的捕獲終端,在ARM任務中提到了機械臂或大型口袋。但是由于小行星表面地質結構不明,機械臂可能無法進行很好地捕獲；而大型口袋對于十米或更大尺度的巨石目標需求體積過于龐大,且不好攜帶。相對于機械臂或大型口袋,“繩網飛行器+繩系機械爪”的方案具有以下優(yōu)點：

1)繩網包絡面積更大,容易收攏與張開,可以捕獲直徑更大的目標；

2)通過發(fā)射繩網對目標進行捕獲,相對于被捕獲目標的相對位置和姿態(tài)要求更低,容錯率高；

3)繩網捕獲裝置更容易實現(xiàn)小型化的設計,可以攜帶多套繩網捕獲裝置,在單次捕獲任務失敗的情況下可以進行二次捕獲,也可以對多個目標進行多次捕獲［9］。

4)繩網飛行器作為一個獨立飛行器,通過自身控制可以改變構形,調整相對于被捕獲目標的位置和指向,空間操作靈活［10-12］。

5)繩系機械爪抓取繩網結點的操作方式便于實現(xiàn)。探測飛行器在小行星捕獲過程中安全性高,基本不會與小行星發(fā)生碰撞。

3.2 技術難點與擬解決方案

“繩網飛行器+繩系機械爪”捕獲小行星的概念,具有一定的優(yōu)勢,同時也引入了一些新的技術難點,總結如下：

1)繩網飛行器的軌道姿態(tài)運動是多顆微納衛(wèi)星在柔性連接下的協(xié)同控制飛行,是一種新的飛行方式,編隊飛行同時避免碰撞。這是一個柔性多體系統(tǒng)的控制問題,需要開展深入的動力學建模與控制律設計研究。

2)繩網包絡小行星后高效地、高可靠地收口是一項關鍵技術。在收口過程中可能出現(xiàn)的收口繩長度不一,鎖死機構不穩(wěn)定等問題都會阻礙成功收口,因而收口機構的設計就顯得至關重要。

3)繩系機械爪對繩網結點的抓取是一項關鍵技術。一方面機械爪要準確的對繩網結點進行抓??；另一方面保證抓取后的穩(wěn)固性。這就需要對抓取結構以及抓取方式進行合理設計以提高抓取成功率。

4)“繩網飛行器+繩系機械爪”方案對于在小行星表面抓取巨石具有難度,繩網飛行器難以包絡小行星表面巨石。定向爆破技術有望得以應用,在巨石的接觸面放置爆破裝置,可將巨石推離小行星表面。失重狀態(tài)下的定向爆破技術有望成為一個研究方向,在小行星探測、開采、防御領域具有潛在應用價值。

4 繩網飛行器收口機構概念設計

4.1 收口機構研究現(xiàn)狀

目前,國外對系繩收放機構有一定的研究,如歐洲空間局在ROGER項目中提出的一種電機主動卷取式機構［5,13］。國內對系繩收放機構的相關研究有采用超聲波電機的空間飛網自適應收口機構,結構上采用雙向卷入,具有一定的防纏繞和翻滾的自適應機制［14］；還有彈簧儲能式卷取機構,具有結構簡單、成本低廉、可靠性高等特點,但只能收取,難于釋放,因儲能少不利于長距離卷取,也不利于重復使用［15］。目前關于繩網收口機構的主要方案如表1以及圖6所示。

表1 繩網收口機構列表Table 1 List of take-up mechanisms for space net

4.2 收口機構設計及分析

收口機構的功能是在繩網飛行器包絡小行星后執(zhí)行收口操作。繩網系統(tǒng)展開后,在接近目標小行星包絡面積達到最大后與小行星碰撞并開始收縮,此時不存在被小行星表面不規(guī)則巖石所勾住的情況。故我們只需考慮收口機構在繩網系統(tǒng)包絡小行星后的收口操作。假設每一個質量塊配有主動卷放機構,如圖7所示,兩個目標物是相鄰質量快,共面不共線。由于兩邊系繩拉力不一定相等,或者繩網捕獲的目標并不在繩網的中心時,兩邊的系繩長度不一樣,因此收口機構必須有自適應性和差速性。單電機單繞線輪難以滿足這種需求,單繞線輪對捕獲目標在繩網中的位置以及兩邊收口繩的長度都有很高要求。在ARM任務中要做到捕獲目標完全在繩網中心是相當困難的,因而單電機單繞線輪可行性不高。本文采用雙卷筒與雙電機,卷筒之間獨立收繩,獨立調控,進而保證收繩的可控性。

此外,由于兩個目標物所造成的拉力不同,以及拉力有可能不通過質心,造成收口機構的翻轉從而影響收口。為保證收口機構在收口過程中不翻轉,要求收口機構的質心位置在兩卷筒之間；若不滿足該條件,則通過增加配重來進行調整。同時,為防止特殊情況下出現(xiàn)的收口繩反向拉伸,設置可控的鎖死機構,保證相應時間段內繩索只能卷入,不能被拉出。

卷取機構的結構設計如圖8所示,主要構成為質量塊外殼、卷筒一、卷筒二、電機一、電機二、機械儲能結構一、機械儲能結構二、鎖芯一、鎖芯二。為保證深空探測的續(xù)航,收口機構采用機械儲能與電機驅動相結合的雙驅動模式。機械儲能機構與電機驅動在繩網捕獲之前均處于待觸發(fā)狀態(tài),相互獨立。其中機械儲能機構與彈簧式儲能收口機構類似,以彈簧彈性勢能作為動力源進行收口。

當捕獲行動開始時,由收口機構的觸發(fā)機構發(fā)出收口指令(由于捕獲網及質量塊相對于被捕獲目標的質量很小,在碰撞被捕獲目標時加速度及繩網拉力將顯著變化,因此可以采用拉力傳感器或加速度傳感器對其進行判定觸發(fā)；或者通過探測飛行器發(fā)射無線電信號遙控觸發(fā)),先由機械儲能機構與卷線筒連接,收口機構切換至收繩狀態(tài),收口繩只能收卷不能拉出,由機械儲能機構負責收繩。在機械儲能機構彈簧彈性勢能耗盡后,機械收口機構與卷線筒斷開,再將電機驅動與卷線筒連接繼續(xù)進行收口。在收繩接近結束時,四個收口機構相互靠近,為了保證收口機構的相互固定,在收口機構的外殼加裝了類似鎖芯的機構。若遇見緊急情況或者其它情況需要打開繩網,可由探測飛行器發(fā)射信號控制冠狀鎖解除鎖定,并由電機控制釋放繩網。如圖9所示。

設計的收口機構采用了雙電機加機械儲能收口裝置,可滿足深空探測續(xù)航需求,同時收放可控；并且采用雙向卷入雙卷筒雙電機模式,電機之間相互獨立,具有差速功能和防纏繞防翻滾,對捕獲目標位置沒有嚴格要求,適應性廣,可靠性高。經過針對性優(yōu)化設計后,可以具有以下優(yōu)點：

1)雙電機驅動收繩確保在一端出現(xiàn)問題的情況下仍然能夠收線,完成收口工作；

2)雙電機驅動收繩的電機之間獨立調控,收繩速度可控,具有適應性與差速性,保證在兩側繩索長度不一致時協(xié)同控制收繩；

3)雙電機驅動收繩降低了繩網投放精度要求,捕獲目標不需要在繩網中心,降低了捕獲難度；

4)機械儲能加電機驅動的混合方式進行收繩,降低了對收口機構的儲能需求；

5)質量外殼裝配有冠狀鎖與鎖口,在收繩完成后能保證收口機構之間的相互鎖緊。

在收口機構的能源供給方式中,機械儲能機構結構簡單,容易實現(xiàn),技術已相當成熟；同時電機驅動在國外的ROGER項目［5］以及國內一些研究機構［14,17］都有研究及實際應用。在收口機構的最后固定過程中,冠狀鎖的配合簡單,且對定位難度要求低,可靠性強。

5 機械爪及抓取繩網結點概念設計

5.1 機械爪研究現(xiàn)狀

國外對機械爪的研究比較早,因此有相當多的成果,如德國宇航局開發(fā)的ROTEX的兩指手爪［19-20］,日本的 ETS-7 機器人兩指手爪［21-22］,以及加拿大航天局的SPDM機器人OTCM手爪［23］。這些機械爪全是多傳感器集成、智能化的兩指手爪,如圖10所示。

除了兩指手爪,還有三指手爪。相對于兩指手爪,三指手爪具有更好的穩(wěn)定性、更容易的曲線包絡和更輕松的抓捕定位。如加拿大航天局的欠驅動SARAH手爪［24］,具有2個電機3個手指10個自由度,可以進行一些靈巧操作,如圖11所示。

國內在機械爪研究領域起步較晚,但也有了相應的成果,比如中國科學院合肥智能機械研究所為空間機器人研制了一種多傳感器手爪［25-26］,以及哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制出的兩指空間機器人手爪［27］如圖12所示。

基于國內外研究情況,機械爪一般采用直流無刷電機；具有足夠的感知功能,如位置、溫度、力以及電流的感知功能等；與視覺系統(tǒng)有良好的機電接口。

5.2 機械爪設計及分析

5.2.1 需求分析

針對ARM任務,機械爪的主要任務是鎖定繩網的繩結處從而對整個繩網及其所包絡的物體進行拖拽,因此機械爪需要具有以下功能：

1)完善的傳感器功能。為了能夠適應復雜的空間環(huán)境,機械爪必須具備一定的自主性以及自我保護能力,因此配備多種傳感器。

2)高精度的定位能力,以準確的對相應的繩網結點進行抓取。

3)足夠強度的剛度和穩(wěn)定性,保證在抓取及拖拽過程中不發(fā)生脫離。

機械爪抓捕繩網的一般策略為抓取收口機構,有一定的缺陷。一方面,抓取部位單一,只能抓取收口機構上的指定位置；另一方面,拖拽燃料消耗大,只能從收口機構那端進行拖拽,改變拖曳方向需要額外消耗燃料進行目標姿態(tài)調整,如圖13所示。因此,采用機械爪抓取繩網結點的策略,首先繩網的繩結數(shù)量相當?shù)拇?選擇靈活；其次,改變拖曳方向不需要調整目標姿態(tài),只需要松開機械爪,重新尋找合適的繩結進行抓取及拖曳即可,如圖14所示。

以繩網結點為捕獲目標的機械爪,需要具有較強的定位能力和穩(wěn)固性。兩指機械爪多為回轉結構,通過繞支點的轉動來完成機械爪的開合動作。多指機械爪一般完成抓獲比較小的物體,用手指內壁將目標物包絡。為了保證更好的定位和包絡空間,采用四指或五指的機械爪設計方案。同時,隨著機械爪手指的關節(jié)數(shù)增加,靈活性增加,剛度、穩(wěn)定性、承重能力將下降。故設計關節(jié)數(shù)盡可能少的機械爪確保抓取的強度和拖曳過程的穩(wěn)定性,并在機械爪的末端增加可控的自鎖機構,用于鎖緊繩結。當機械爪捕獲過程發(fā)生意外時,為保障探測飛行器的安全,設計了相應的解鎖裝置脫離探測飛行器。5.2.2 機械爪設計

基于對機械爪的需求分析,采用平面連桿機構和四指的設計方案,如圖15所示。

機械爪由四指組成,每個機械手指末端裝配有可操控開合的鎖頭。當抓取行動開始時,在手眼視覺等測量傳感器引導下,機械爪從初始位置靠近目標繩結,逐步縮短與目標繩結的距離,并保持姿態(tài)同步。通過運動軌跡規(guī)劃,實現(xiàn)機械爪到達抓取點位置并避免與目標小行星發(fā)生碰撞。機械爪四指閉合,末端鎖扣相互鎖緊扣合,完成抓取繩網結點。若出現(xiàn)意外情況,如卡死等,機械爪將啟動安全恢復程序,重新對目標進行抓取。

6 行星的消旋

ARM中對行星進行消旋所采用的一種方法是在使用巨袋捕獲小行星后,通過收緊巨袋內的安全氣囊對小行星施加壓力以固定小行星的質心并對其自旋產生限制,從而達到消旋的效果［28］。而本文所設計的捕獲方案屬于繩系系統(tǒng),ARM中的方案無法有效實施。

TUI(Tethers Unlimited,Inc)于2015年對于繩系系統(tǒng)捕獲方案下的消旋問題曾提出過動量交換法。即在系統(tǒng)捕獲小行星后,由航天器釋放小型衛(wèi)星,將小行星的角動量轉換到小型衛(wèi)星上,最后再將小型衛(wèi)星釋放,從而實現(xiàn)小行星的消旋［29］。本文系統(tǒng)與此類似,可采用與之相似的方法進行消旋,如圖16所示。在收口機構、機械爪以及繩系飛行器與機械爪的繩子連接處配備力傳感器,實時監(jiān)測力傳感器的數(shù)值,并進行姿態(tài)控制,在繩子不斷裂的情況下進行消旋。

7 結論

針對小行星重定向任務設計的一個以空間繩網系統(tǒng)為核心的柔性捕獲新方案,通過“繩網飛行器+繩系機械爪”對目標小行星進行捕獲,有效地避免了機械臂或大型口袋捕獲小行星的技術難題和風險。優(yōu)化設計的收口機構采用機械儲能與電機驅動相結合的能源供給方式,降低了儲能需求,提高了深空探測捕獲任務的續(xù)航能力。機械爪抓取對象設定為繩網結點,提高了抓取靈活性,降低了改變拖曳方向的燃料消耗?！袄K網飛行器+繩系機械爪”的捕獲方案具有很高的可靠性、安全性,容錯率高,適應性強。