王柄權(quán) ，張長龍 ，索劭軒 ，秦劉通 ，王鵬飛， ，劉金鑫

（1.西安交通大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院，西安 710049；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；3.西安交通大學(xué)空間智能制造研究中心，西安 710049；4.中國航天科技創(chuàng)新研究院，北京 100048）

1 引言

空間碎片，又稱太空垃圾，是指人類在大氣外層空間進(jìn)行航天活動時產(chǎn)生或遺棄的物體，包括碎裂碎片、失效航天器等［1］。

隨著幾十年來各國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，空間在軌物體的數(shù)量急劇增加，空間軌道資源日趨緊張，空間碎片問題日益凸顯，給空間可持續(xù)性發(fā)展及利用帶來了極大的挑戰(zhàn)。據(jù)美國宇航監(jiān)測網(wǎng)2013 年統(tǒng)計，已探知的空間碎片數(shù)量就多達(dá)16906 個，而無法統(tǒng)計的空間碎片甚至多達(dá)數(shù)千噸［2］。歐空局（ESA）的研究表明，如果空間碎片得不到有效的處理，到2030年左右，航天器碰撞的概率將會達(dá)到3.7%。因此，為了更加充分地利用具有較大價值的近地或高低軌道，同時降低衛(wèi)星為防御太空垃圾增加的設(shè)計難度與成本，亟待解決軌道垃圾轉(zhuǎn)移以及清理等難題。

本文首先從空間碎片危害、空間碎片清理任務(wù)推動捕獲技術(shù)發(fā)展等角度闡述了空間碎片清除技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。其次從捕獲方式實現(xiàn)維度對飛網(wǎng)、 魚叉、機(jī)械臂等方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和總結(jié)。最后針對現(xiàn)有捕獲技術(shù)在空間碎片清除方面應(yīng)用所存在的問題從技術(shù)途徑角度概括了該技術(shù)的未來發(fā)展趨勢并提出了一種可重用空間碎片抓捕機(jī)構(gòu)。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外空間碎片捕獲方式主要利用主動移除技術(shù)，通過服務(wù)衛(wèi)星接近空間碎片，利用末端捕獲機(jī)構(gòu)對碎片進(jìn)行捕獲并離軌。常用的捕獲技術(shù)包括：（1）剛性捕獲方法，以美國空軍的FREND 機(jī)械臂為代表［3，4］；（2）柔性捕獲方法，以ESA的ROGER飛網(wǎng)為代表［5，6］。此外，近些年的研究還提出了吸附捕獲、類飛網(wǎng)捕獲、新型智能捕獲等一系列新概念［4］。剛性捕獲方案中多采用機(jī)械臂抓捕，它是現(xiàn)階段空間碎片在軌捕獲技術(shù)中研究最深入的技術(shù)，表1和表2匯總了國內(nèi)外針對空間碎片進(jìn)行在軌捕獲項目中剛性、柔性捕獲方案的研究現(xiàn)狀。從表1 中可以看出，剛性捕獲方案多用于衛(wèi)星捕獲，通過利用衛(wèi)星自帶的發(fā)動機(jī)噴管和對接環(huán)，使得機(jī)械臂可以在搭載適合某一特定類型衛(wèi)星的手爪的前提下，順利完成對衛(wèi)星的捕獲。但缺點(diǎn)也在于此，它只適合于捕獲衛(wèi)星，甚至只能捕獲同一類型的衛(wèi)星，更不可能對其他的不規(guī)則的沒有輔助抓手的空間碎片進(jìn)行捕獲。

表1 剛性捕獲方案Table 1 Rigid capture schemes

表2 柔性捕獲方案Table 2 Flexible capture schemes

柔性捕獲方案中以飛網(wǎng)、飛爪為主，近些年來也涌現(xiàn)出類飛網(wǎng)/飛爪、吸附捕獲和智能捕獲等新型捕獲方式，它是現(xiàn)階段空間碎片在軌捕獲技術(shù)中研究最有前景的技術(shù)，可以實現(xiàn)對不同規(guī)則形狀的空間碎片進(jìn)行捕獲，克服了剛性捕獲方案只能針對特定衛(wèi)星進(jìn)行捕獲的缺點(diǎn)，極大地擴(kuò)展了捕獲衛(wèi)星的應(yīng)用范圍，而且還可以增加捕獲機(jī)器人的重復(fù)利用率，大大降低成本。

2.2 未來發(fā)展趨勢

當(dāng)前捕獲技術(shù)在實際捕獲合作或非合作目標(biāo)時都或多或少的存在一定缺陷：

（1）抓捕機(jī)構(gòu)普適性差

不同碎片尺寸、形狀、運(yùn)動狀態(tài)差異大，但現(xiàn)行抓捕設(shè)備結(jié)構(gòu)單一，僅適用于特定的合作目標(biāo)。例如SUMO/FREND機(jī)械臂依靠機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓捕目標(biāo)航天器的對接環(huán)、螺栓孔等位置，對飛行器和機(jī)械臂的位姿精度要求較高；而新型捕獲方法僅針對特定的非合作目標(biāo)，捕獲對象的可適應(yīng)性差、可靠性差。

（2）只執(zhí)行單次抓捕離軌操作、可重用度低

目前軌道碎片清除技術(shù)以主動移除技術(shù)為主，僅可執(zhí)行單次捕獲離軌操作，無法重復(fù)作業(yè)。例如ROGER 飛網(wǎng)只適合單次抓捕整個衛(wèi)星（或空間碎片），并執(zhí)行空間碎片或非合作目標(biāo)離軌任務(wù)；而化學(xué)粘附捕獲與目標(biāo)物粘接后無法分離。以上兩種捕獲方法皆不適用于重復(fù)使用的作業(yè)場合。

（3）易產(chǎn)生破壞性接觸

剛性捕獲方法對服務(wù)衛(wèi)星的位姿控制精度要求高，控制不當(dāng)時存在一定的碰撞風(fēng)險；柔性捕獲方法在捕獲成功后無法將空間碎片總體上定位定姿，具有不確定性；而微納米吸附方式在拖拽目標(biāo)衛(wèi)星時導(dǎo)致衛(wèi)星鍍層脫落，會對目標(biāo)星造成物理損壞。

（4）遙操作控制的滯后性

遙操作控制作為目前空間機(jī)器人控制的重要技術(shù)之一，已替代宇航員實現(xiàn)太空艙外檢測、捕獲、裝配等非臨場作業(yè)。然而，傳統(tǒng)遙操作控制技術(shù)在天地大時延背景下，地面操作員與空間被控端通信的延時也會造成如主從端位姿軌跡誤差，難以補(bǔ)償空間機(jī)構(gòu)末端軌跡偏移等諸多問題。

針對現(xiàn)有的問題，未來捕獲技術(shù)將向以下方向發(fā)展：

（1）可重復(fù)使用

未來的在軌服務(wù)系統(tǒng)一般采用可重復(fù)使用的小型化、智能化的空間機(jī)器人，這樣可以盡量減少對運(yùn)載火箭能力的需求，同時能夠減少系統(tǒng)費(fèi)用和提高經(jīng)濟(jì)性。

（2）捕獲機(jī)構(gòu)柔性化

目前對非合作空間目標(biāo)捕獲技術(shù)的研究，多集中于機(jī)械臂剛性抓捕和飛爪、飛網(wǎng)類抓捕，但由于捕獲空間旋轉(zhuǎn)非合作目標(biāo)如采用純剛性機(jī)械臂對機(jī)械臂性能及強(qiáng)度要求過高，同時需要目標(biāo)物有對接環(huán)、螺栓孔等位置。而飛網(wǎng)類捕獲雖無需特殊抓手，但不能重復(fù)使用，成本過高。瑞士空間中心借助介電彈性材料作為驅(qū)動器，設(shè)計了空間觸手抓捕系統(tǒng)，它具有簡單可靠、智能操控、柔性抓捕、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，但不適合抓捕大目標(biāo)。它為非合作空間目標(biāo)捕獲技術(shù)提供了新的空間抓捕思路，后期對于旋轉(zhuǎn)的非合作目標(biāo)捕獲采用半剛性或柔性抓捕系統(tǒng)更為可取，可以借鑒瑞士空間觸手抓捕機(jī)構(gòu)的設(shè)計思想，設(shè)計出更適合實際任務(wù)需求的空間非合作目標(biāo)捕獲機(jī)構(gòu)。

（3）捕獲行動自主化、智能化

對于地球靜止軌道上的非合作目標(biāo)，不能采用航天員出艙協(xié)助捕獲的方式，無人捕獲因為受到通信的延遲、間斷以及天地鏈路帶寬等限制，也很難進(jìn)行穩(wěn)定可靠的操作。因此，具備自主捕獲目標(biāo)能力的服務(wù)航天器將成為未來在軌服務(wù)的發(fā)展方向。另外，由于目前在軌航天器的設(shè)計復(fù)雜多樣，并且沒有通用統(tǒng)一的捕獲接口，如電推平臺就沒有軌道轉(zhuǎn)移發(fā)動機(jī)噴管，可伸縮抓捕機(jī)構(gòu)就不再適用。這就要求捕獲機(jī)構(gòu)自身具備智能性，可根據(jù)計算機(jī)視覺和認(rèn)知推理，改變捕獲機(jī)構(gòu)形狀抓捕目標(biāo)。

3 可重用空間碎片抓捕機(jī)器人

目前國內(nèi)外空間碎片捕獲方式的可靠性與普適性仍存在部分盲點(diǎn)。傳統(tǒng)的空間碎片捕獲機(jī)構(gòu)具有無法平衡捕獲的可靠性、對不同形狀和尺寸的空間非合作目標(biāo)的適應(yīng)性、對服務(wù)衛(wèi)星沖擊較小等特性。因此，亟需一種新型的可重復(fù)使用的空間碎片柔性抓捕機(jī)器人，以滿足自旋、章動、逃逸、外形、尺寸不規(guī)則等特點(diǎn)的空間碎片收集的需求，進(jìn)而提升空間復(fù)雜碎片的治理能力。

3.1 總體設(shè)計思路

針對以上多樣化空間碎片清除的技術(shù)需求，本文設(shè)計了一種可重復(fù)使用的空間碎片柔性抓捕清除機(jī)構(gòu)，配置以適用于自旋、章動、逃逸、外形不規(guī)則等特點(diǎn)的空間碎片收集需求的包絡(luò)、消旋柔性機(jī)械臂及收納機(jī)構(gòu)，提升了空間復(fù)雜碎片治理能力，突破了柔性結(jié)構(gòu)展收、碎片可靠收儲等關(guān)鍵技術(shù)；并基于以上設(shè)計建立了空間碎片柔性抓捕機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)模型，分別從目標(biāo)碎片位姿視覺測量和空間碎片抓捕機(jī)器人協(xié)同柔順控制規(guī)劃兩個方面展開技術(shù)研究，以實現(xiàn)各種復(fù)雜空間碎片的低沖擊、低能耗、高效率收集，總體思路如圖1所示。

3.2 空間碎片抓捕平臺與收納結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 空間碎片抓捕平臺

由于空間碎片大多為自旋、章動、逃逸、外形不規(guī)則的非合作目標(biāo)、為了滿足空間碎片抓捕的復(fù)雜、靈巧操作需求，并具有一定的冗余性與容錯能力，基于仿生柔性捕獲結(jié)構(gòu)對空間碎片進(jìn)行低沖擊、低能耗收集治理，提升空間復(fù)雜碎片治理能力。本文設(shè)計的抓捕機(jī)構(gòu)型如圖2 所示，主要包括圓柱形基座平臺、4個模塊化線驅(qū)動長柔順機(jī)械臂（臂長1000 mm）和四個模塊化線驅(qū)動短柔順臂組成（臂長300 mm）以及收納機(jī)構(gòu)等模塊。圓柱形基座平臺用以安裝機(jī)械臂及其驅(qū)動模塊，并帶有類光圈開合機(jī)構(gòu)（最大開口直徑500 mm），8 個模塊化線驅(qū)動機(jī)械臂實現(xiàn)對空間目標(biāo)的協(xié)同抓捕。

（1）機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)包括抓捕機(jī)構(gòu)和收納機(jī)構(gòu)兩部分，其中抓捕機(jī)構(gòu)由4條長柔順機(jī)械臂和4條短柔順臂組成。長臂用以遠(yuǎn)距離抓取空間碎片并基于其自身所特有的被動柔性實現(xiàn)包絡(luò)消旋，待碎片到達(dá)短臂作業(yè)范圍時，短臂接替長臂作業(yè)。

（2）抓捕平臺的開合裝置旋開，短臂將碎片壓入彈性擋板（黃色）。

（3）當(dāng)碎片落入收納袋后，彈性擋板自動復(fù)位成閉合狀態(tài)，以此防止碎片再次飛出收納袋。

（4）多次捕獲后，收納結(jié)構(gòu)容積占滿，在柔性臂的較小推力下，彈簧鉤會脫離分級釋放環(huán)，解除第一節(jié)限位，收納袋即會多展開一層空間。同時，彈簧鉤在彈性恢復(fù)作用下，鉤住下一個鉤環(huán)，這樣可以保證碎片既能保證處于收納袋底部的同時，還能逐級釋放空間，做到大容量收納。

3.2.2 收納機(jī)構(gòu)

收納機(jī)構(gòu)的設(shè)計需從輕質(zhì)、可靠收納和可靠存儲三方面考慮。通過對收儲結(jié)構(gòu)功能及特性分析，如圖3 所示，為滿足可靠收納和存儲功能的同時要做到結(jié)構(gòu)簡單和輕質(zhì)化的設(shè)計要求，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級展開式收納結(jié)構(gòu)方案，即可實現(xiàn)大跨度碎片的順序收納，也可保證大容積的可靠存儲，主要構(gòu)成如圖4 所示，收儲結(jié)構(gòu)外徑約500 mm，構(gòu)型為圓柱體，壓縮狀態(tài)高度約215 mm。

圖3 收儲結(jié)構(gòu)設(shè)計分析Fig.3 Design and analysis of storage structure

圖4 收儲結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.4 Schematic diagram of collection and storage structure

3.3 機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)模型

多臂空間機(jī)器人的基礎(chǔ)是雙臂空間機(jī)器人，首先推導(dǎo)了雙臂廣義相對雅可比矩陣，并進(jìn)一步推廣至多臂空間機(jī)器人以及得到適用于空間機(jī)器人與地面機(jī)器人的一般形式。如圖5 所示，雙臂空間機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)模型主要包括衛(wèi)星基座、na自由度的機(jī)械臂（Arm-a）以及nb自由度的機(jī)械臂（Arm-b）。

圖5 雙臂空間機(jī)器人系統(tǒng)Fig.5 Two-arm space robot system

各個機(jī)械臂的末端速度表示如下：

圖7 基于混合任務(wù)優(yōu)先級的多臂運(yùn)動規(guī)劃流程框圖Fig.7 Multi-arm motion planning flow diagram based on mixed task priorities

系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)模型建立、協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃方法以及協(xié)調(diào)柔順控制方法的研究。同時為滿足空間碎片可靠收納和實現(xiàn)大量存儲功能，基于結(jié)構(gòu)簡單、輕量化、大承載比的原則，進(jìn)行非金屬柔性構(gòu)型方案設(shè)計，提出了一種基于彈夾原理的圓柱形逐級展開式收納結(jié)構(gòu)方案。針對空間非合作目標(biāo)缺乏先驗特征知識的情況，擬依托目標(biāo)本體的固有特征進(jìn)行視覺識別與位姿測量?？臻g碎片抓捕時，針對自由漂浮空間機(jī)器人可能出現(xiàn)的自碰撞問題，擬開展基于視覺反饋的混合優(yōu)先級協(xié)同任務(wù)規(guī)劃。針對多臂與目標(biāo)的安全接觸以及解決阻抗控制參數(shù)選取的困難，擬研究基于學(xué)習(xí)的阻抗參數(shù)在線辨識的多臂協(xié)調(diào)柔順控制方法。最后基于虛擬試驗等半物理仿真手段對前述設(shè)計進(jìn)行實驗驗證。

總體設(shè)計方案如圖8 所示，總體技術(shù)路線如圖9所示。

圖8 總體設(shè)計方案Fig.8 Overall design scheme

圖9 總體技術(shù)路線Fig.9 Overall technical route

4 結(jié)論

本文就空間碎片清除技術(shù)的發(fā)展歷程以及現(xiàn)有技術(shù)的成熟度進(jìn)行了詳細(xì)介紹并歸納總結(jié)，分析了現(xiàn)有空間碎片清除技術(shù)存在的，如僅單次捕獲離軌，無法重復(fù)使用；缺乏柔性，會對目標(biāo)星造成物理損壞；效率低下等諸多問題，面向自旋、章動、逃逸、外形不規(guī)則碎片的可重用抓捕清除的客觀需求，提出了一種可重用空間碎片抓捕機(jī)器人方案。完成了空間機(jī)器人抓捕機(jī)構(gòu)平臺以及大空間彈夾式收納機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并初步擬定了可重用空間碎片抓捕機(jī)器人總體設(shè)計方案與通體技術(shù)路線。目前處于原理樣機(jī)設(shè)計階段，但該設(shè)計思路與方案對于可重用、柔性捕獲、大容量收納等空間碎片清除技術(shù)的探究與實現(xiàn)具有重要意義。