极限作业机器人系列（八）——空间机器人

极限作业机器人（robot under critical working condition）是可以在人为难以接受的环境下工作的工业机器人，空间机器人则是其中用于完成特定空间任务的一类机器人。

（科幻电影中的空间机器人）

空间机器人(Space Robots)是用于代替或协助人类在太空中进行科学试验、出舱操作、空间探测等活动的特种机器人。相对于地球环境, 太空环境非常恶劣, 充满不确定性, 微重力、高真空、强辐射、极限温度、照明差……航天员在空间中活动充满危险，空间机器人代替宇航员出舱活动可以大幅度降低风险和成本，而且在无人的航天科学探索活动中，机器人能有效扩展人类的活动和操控范围。因此，研发功能强大、操作灵活、具备高度智能的空间机器人协助人类探索太空, 是助推航天事业发展的一个重要技术领域。

（正在作业的空间机器人）

按照用途的不同, 空间机器人可以分为在轨服务机器人和星球探测机器人两大类。其中, 在轨服务机器人分为舱内/外服务机器人和自由飞行机器人。舱内/外服务机器人一般是指安装或工作于空间站, 协助航天员完成各种任务的机器人系统, 最典型的是国际空间站和安装在航天飞机上的大型机械臂。自由飞行机器人一般是指飞行器安装机械臂组成用于空间在轨服务的机器人系统。星球探测机器人一般是指执行地外星体探测的机器人系统, 如月球车、火星车等。

（形形色色的空间机器人）

空间机器人按功能进行划分，主要分为空间机械臂机器人与类人机器人两大类。空间机械臂机器人具有广泛丰富的用途和强大灵活的功能，是最早应用的一类空间机器人，是空间站建设、维护和使用的关键设备，也可以完成对接、搬运等任务。类人机器人更加灵活且具有更高智能性，可以与人类宇航员协作或代替人完成特殊复杂、灵活多变的任务。可直接搭乘载人航天器和使用人类航天装备，与人类进行直接的交流合作，是现今空间机器人发展的主要领域。

（空间机械臂）

（俄罗斯研制的空间类人机器人）

自20世纪70年代空间机器人概念提出、20世纪90年代空间机器人的首次在轨验证起，针对空间机器人技术的验证或航天器任务的需求，我国及美国、日本、加拿大、德国、欧空局等至今已开展了数以百计的空间机器人系统的研发设计，在解决工作环境难以模拟、“稳准狠”地抓取目标、恶劣环境下保证可靠性等技术难题方面不断取得突破。

（空间机器人在执行任务）

国际空间站是目前空间机器人系统应用较多、较成功的领域，舱外配备了加拿大机械臂、日本实验舱机械臂、灵巧机械手等，舱内开展了机器人宇航员等机器人验证，形成了大中小多规格、舱内外全范围、工程应用与技术验证并重的立体化配置格局。

（国际空间站）

航天飞机遥操作机械臂SRMS（Shuttle Remote Manipulator System）是世界上第一个实用的空间机械臂，由加拿大MDA公司研制，也被称为加拿大机械臂（Canadarm）。1981年，SRMS首次被使用，1990—2002年间实现了哈勃望远镜的多次在轨维修，1998年实现了在国际空间站美国“团结号”节点舱与俄罗斯“曙光号”首次组装任务。SRMS主要用于物资搬运、辅助航天员出舱活动和航天飞机在轨检测等任务

（SRMS执行的首次空间在轨组装任务）

国际空间站移动服务系统MSS（Mobile Servicing System）是国际空间站上最复杂的机器人系统，由移动基座系统、空间站遥控机械臂、末端灵巧机械手及移动传输器4个部分组成。它的主要任务是辅助空间站在轨组装、大型负载搬运、ORU更换、航天员舱外活动辅助、空间站辅助维修等。

（空间机器人在执行任务）

作为大型、载人的航天器，国际空间站为各国空间机器人演示验证提供了得天独厚的先天条件，不少国家的机器人相继进入国际空间站开展了技术验证。德国的ROKVISS项目于2004年在国际空间站进行了飞行试验，它包括两个关节、立体相机、控制器等，主要验证DLR高集成度、模块化、轻量化关节、自动控制、力反馈遥操作等不同控制模式。

（ROKVISS验证平台组成）

2011年NASA与通用公司GM联合研制的第二代机器人宇航员R2（Robonaut2）进入国际空间站。R2在形体上具有头部、颈部、躯干、双臂、多指灵巧手等人类特征，全身共42个自由度，其中包括3自由度颈部、2个7自由度的手臂、2个12自由度的五指灵巧手以及1自由度腰部，可达到类人的工作能力；集成了视觉相机、红外相机、六维腕力传感器、接触力传感器、角度及位移传感器等约三百多个传感器，是典型多传感器集成的复杂系统。R2在2014年配置了双腿，腿的末端配置扶手抓取工具，使之具备出舱服务移动能力。

（机器人宇航员R2在国际空间站）

2013年8月，日本“鹳”号货运飞船搭载发射了小型机器人宇航员“KIROBO”，其身高约34 cm，重约1 kg，可以与人进行交流并且具有肢体语言，其主要任务为与国际空间站日本宇航员对话，消除宇航员在轨寂寞感。

（小型机器人宇航员“KIROBO” ）

2019年8月，俄罗斯联盟号飞船搭载发射人形机器人Skybot F-850至国际空间站，它是具备四肢的空间仿人机器人，具备模仿航天员作业的能力。在国际空间站约半月的测试中，F-850测试了开启舱门、传递工具、模拟舱外活动等试验。

（Skybot F-850在国际空间站）

在轨服务机器人迅猛发展的同时，星球探测机器人的研发也取得了丰硕成果。与其它用途的空间机器人相比, 星球探测机器人应具有更强的自主性, 能够在无人干预或较少干预的情况下独立完成在地外星体完成探测着陆地点、科学仪器放置、收集样品进行分析等各项任务。

（星球探测机器人）

20世纪60年代末和70年代初, 苏联和美国分别发展了无人月球车和有人驾驶的月球车, 这些月球车的运行距离达40km。在月球表面, 要面对的特殊挑战是多尘埃、低重力和接近真空的空间环境。当时, 美国的月球漫游车 (LRV) 和苏联的月球车-1 (Lunokhod) 的尺寸和质量都较大, 长度约2m, 质量超过700kg。苏联的月球车-1是世界上第一个着陆到月球表面的无人月球车, 它是由1970年11月发射的月球-17 (Luna-17) 探测器送到月球表面的, 登月点位于北纬38°18′、西经35°的雨海。它行驶了10.5km, 考察了约80000平方米的月球表面。

（苏联的月球车-1 ：Lunokhod ）

进入21世纪, 随着航天技术的发展, 月球及行星探测的广度和深度也不断加大。世界主要航天大国纷纷提出新的探测计划, 美国已开始实施重返月球计划。欧洲、日本、印度等都制定了月球和行星探测计划。

（美国的阿波罗号月球车）

火星探测也是航天技术发展的重要方向, 目前美国处于绝对领先地位。美国分别在1997年、2003年、2011年发射了索杰纳号、勇气号、机遇号和好奇号火星车, 开展了一系列火星探测活动与试验。

（嫦娥三号及嫦娥四号月面巡视器）

好奇号火星探测器是NASA研制的一台探测火星任务的火星车, 于2011年11月发射, 2012年8月成功登陆火星表面。它是美国第7个火星着陆探测器、第4台火星车, 也是世界上第一辆采用核动力驱动的火星车, 其使命是探寻火星上的生命元素。项目总投资26亿美元, 是截至2012年最昂贵的火星探测项目。

（好奇号火星车）

中国空间机器人研究起步较晚, 但是随着中国综合国力的增强和航天技术的快速发展, 在空间机器人领域, 中国也开展积极探索和研究, 完成了多项空间验证实验, 多项关键技术取得突破, 与国际先进水平差距逐渐缩小。2013年中国发射了第一台空间机械臂, 并完成了一系列空间操作实验, 标志着中国空间机器人技术进入世界先进水平行列。2016年6月25日, 由中国运载火箭技术研究院主持研制的空间碎片主动清除空间机器人搭乘长征7号运载火箭进入轨道, 完成了利用空间机械臂进行空间碎片主动清除及非合作目标探测与抓捕实验, 取得圆满成功。

（中国太空机械臂）

2016年中国进行了国际首次人机协同在轨维修技术试验, 该项试验主要面向航天设备在轨组装及拆卸任务, 探索人机协同完成在轨维修典型作业, 为空间机器人在轨服务积累经验。2016年10月19日, 天宫二号与神舟十一号对接后, 航天员与随天宫二号发射入轨的机械手协同完成了拿电动工具拧螺钉、拆除隔热材料、在轨遥操作等科学试验。该项目由哈尔滨工业大学与中国空间技术研究院、北京理工大学共同完成。

（天宫二号机械臂灵巧手旋拧操作试验）

2019年1月3日，中国“嫦娥四号”探测器成功实现人类首次月球背面软着陆并释放月球车“玉兔二号”。这是月亮上的第7辆车，重135公斤，设计寿命为3个月，可驶过20厘米高的石头，最快每小时走200米，是史上最轻的月球车。新版月球车继承了嫦娥三号“玉兔”的全景相机、测月雷达和红外成像光谱仪，可拍摄月表高分辨率的彩色图像，探测巡视路线上月壤厚度和结构，及对月表物质成分和可利用资源开展调查。

（玉兔2号月球车）

2020年17日1时59分，嫦娥五号返回器安全着陆，带回月球风暴洋区域的钻取和表取样品，成功完成中国首次地外天体采样返回任务，使中国成为世界上第二个月球无人自主采样返回的国家。

（玉兔2号在月面执行任务）