【航天甲子年50讲】 09 空间机器人



文:晟宇(视频讲解)

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前言


说到空间机器人,一下就使得我们的话题平添了很多科幻色彩。虽然晟宇尝试过很多次去写科幻小说,实在文笔糟糕,自己都看不下去。于是常常提笔即罢笔。


对于科幻的迷恋使得我个人脑海里和空间机器人直接产生联系的就是星球大战里的R2-D2。这个角色贯穿全部系列电影,而且立下奇功,让人印象深刻。






R2-D2


然而实际上空间机器人所涵盖的范围非常大,像R2这样的陪伴型机器人只是其中的的一种。下面我们准备开始逐一的介绍一下各种各样的空间机器人。


空间机器人的出现是一个非常自然的过程,从人类开始空间探索这一概念就开始孕育。道理也非常的简单,一方面是地面机器人技术的发展,一方面是空间的确需要机器人。


由于很多空间任务实际上就是“自杀”任务,很多航天器是无法返回地球的,同时又需要进行很多复杂的空间任务,所以需要发展空间机器人技术。另外空间机器人在很多方面也能弥补人在力量,精度等方面操作的不足。随着人机交互等技术的发展,像R2这样的机器人在辅助之外甚至还能发挥一些情感关怀的功能。




从概念到现实的空间机器人



1.什么是空间机器人


没有找到严格的定义,为了让大家更好理解我权且牺牲一些严谨性进行一个归纳和分类。空间机器人就是能适应空间环境,可以自主开展空间探测、空间操控等空间服务,独立或者辅助宇航员完成空间任务的机器人。





这里的分类选取了空间机器人工作场所与地球的距离作为维度。面向深空任务的飞行器基本都具备机器人的特性,由于深空与地球之间的通信存在较大的时延甚至完全通信失连的状态,所以对其自主性提出了很高的要求。


第二种是星球表面的自主巡游器,例如好奇号。这一类的空间机器人往往需要非常强的环境感知能力和自主任务规划能力,来开展星球表面的探测。如今这里巡游器主要是巡游车。有大气的星球也会有巡游机,有海洋的星球也会有潜艇。


第三种是近地轨道工作的自主探测器,一般是自主的微纳卫星,具备很高的机动性能和成像性能,主要应用于空间目标的探测。


第四种是在轨服务与维护系统,也是近地环境中最为复杂的机器人系统。这一系统涵盖的范围很广,从空间站上使用的机械臂系统,在轨服务的机器人等等都属于这一范畴,其应用主要是飞行器的故障排除,在轨维护升级等等。


最后一种是宇航员的好帮手,帮助宇航员完成空间站等飞行器中复杂的科学实验任务以及知识服务和陪伴。


下面我们就展开了逐一进行介绍。


2.深空自主飞行器


深空飞行器一般都具备较高的自主能力。我过去的文章曾经介绍过到小行星Bennu去采样的OSIRIS-REX就是这一类的飞行器。具体任务介绍可见一言不合就到小行星采矿!| 关于OSIRIS-REx你需要知道的十件事看心机Boy如何追到白富美! | NASA探测器OSIRIS-REx是如何与小行星Bennu交会的.


这种飞行器的任务长期而且复杂,包含了对目标的轨道逼近,需要自主导航。逼近目标之后要开展较长时间的探测任务,需要对飞行器的任务和资源进行自主管理。也需要进行一些基于探测结果的决策过程。





最后还要进行与目标(小行星)的交会,在小行星的表面进行采样的操作,完成复杂的操作过程之后,还要携带样本返回地球。当然了很多过程实现了自主,一些关键的决策还是有人参与的。


3.星球表面巡游器


最为著名的星球表面巡游器就是好奇号火星探测器了。故名思议星球表面巡游就是对星球表面的探测。人类登月已经进行了非常巨大的投入,到今天载人探测火星依然有很多难关等待突破,很多资源需要投入。所以派出自主的机器人先去探探路就再自然不过了。





星球表面巡游器面临的环境比空间自主飞行器要复杂许多,任务类型也更多样。因此对于环境的感知,对于自身状态的感知,对于任务的规划,巡游路线的优化等方面都需要突破。




好奇号


由于任务的繁重,因此其组成系统也更加复杂,包含了用于环境感知的视觉系统、用于采样的操控系统、用于巡游的动力系统、用于链接地球的通信系统等。




视觉感知的地面试验




路径规划示意


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好奇号官方介绍NASA


4.自主探测飞行器


自主探测飞行器一般应用于空间目标的探测。这一类型的探测器一般具备一定的自主机动变轨能力,可以形成对目标飞行器的绕飞,跟飞,悬停等空间相对编队构型。同时一般都具备较好的成像探测能力,可以对目标飞行器的健康状况进行检测,随着探测能力的提高,甚至可以直接检测出目标飞行器的故障点。




曾经参与的天宫二号伴随卫星就属于这一类型的飞行器,通过飞越成像获取了天宫二号和神舟飞船组合体的图像数据,属于这一类型的还有AERCam任务。伴随智能技术的发展,这些灵巧的小眼镜,以后不但能看,还能自己看懂。


5.在轨服务与维护系统


这一类的飞行器说白了就是给卫星看病的飞行器。那么要给病人看病总得先靠到病人身边吧。所以首要的能力就是自主快速交会对接能力。美国的轨道快车计划就是验证的这一能力。这一实验是利用NextSat和ASTRO这两颗子母星来实现,奠定了空间在轨服务与维护的轨道能力基础。





如今美国真正如火如荼地推进RSGS在轨服务机器人项目,这一项目就是建立在像轨道快车这样的先期能力基础上的。具体内容可以参加我是光,我是电,我是太空中的小护士~~ 闲聊DARPA的地球同步轨道卫星自助服务(RSGS)计划,其实我是蜘蛛侠.








这里也对该项目进行一个简单的介绍。RSGS项目就是利用具备两个或者多个机械臂,配备齐全工具的机器人飞行器来对产生故障的飞行器进行服务。它计划演示的项目包括了故障排除,在轨的升级以及轨道的重新部署。





更直观的过程我们可看看用来给Landsat7注入新生的Restore-L 任务,该任务与RSGS非常接近。


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Restore-L 任务演示(NASA)


6.机械臂


前面的各个类型空间机器人的介绍中,我们都看见到了下面这个核心系统,就是机械臂系统。从需要小行星采矿的自主飞行器,到好奇号再到RSV在轨服务机器人都配备的一个或者多个机械臂。



机械臂是空间机器人进行操控的核心技术集合。(包含了从机械到控制算法,从机器视觉到全套工具集等多项关键技术)





衡量机械臂的能力包含了以下一些要素,机械臂的长度决定了他工作的范围,自由度决定了其操控动作的复杂程度、机械臂的质量决定了它能实现的精度(并不直接影响)和操控能力、机动的扭矩和速度决定了机械臂的敏捷性等等。




机械臂操控示意


机械臂也可以分为遥控型和自主型。可以由宇航员直接操控,也可以由地面人员遥操作,遥操作由于有时延,也具备一些针对时延的操控优化。自主型的机械臂就完全自主进行操控路径的规划与实施。




机械臂地面试验


为了提高操控的精度,机械臂的终端往往还有一个复杂的终端系统,包含了基于机器视觉的探测器,光源等来提高精度。




国际空间站加拿大机械臂2


加拿大是把机械臂技术当作“国技”来发展的,空间站、RSGS等项目中执行复杂操控任务的机械臂都来自加拿大。机械臂和雷达探测技术在加国被发展到了极致,我们可以看到下表中,在机械臂相关的项目中加拿大都得了高分。




机械臂在国际空间站的多项任务中发挥着极其重要的作用,从大型器件的搬运,宇航员的舱外活动等都离不开它。








7.辅助型机器人


辅助型机器人大概是最符合我们想象的机器人了。这一类型的机器人首先具备了非常高的操控能力。例如Robonaut 2就具备了非常接近人类的操控能力,可以进行一些精密复杂的操控。





一方面人形机器人实现了很高的操控能力可以承担和人类几乎相同的空间任务,另外一方面随着人工智能技术的进一步发展,在人机交互方面可以为宇航员提供更多服务,例如知识辅助、事物辅助、情感交流,当然未来也会出现机器人绕不开的伦理问题。


https://www.zhihu.com/video/921813637587406848

Robonaut 2官方介绍视频


主要参考NASA,MDA,DARPA官网,除了大白话是我说的,知识都是搬运的。

1.SPACE ROBOTICS Brian Wilcox, Robert Ambrose, Vijay Kumar

2.Robotics Technology and Programs David Wettergreen The Robotics Institute Carnegie Mellon University

3.Robotics, Tele-Robotics and Autonomous Systems Road map Rob Ambrose

4.A Survey of Space Robotics L. Pedersen, D. Kortenkamp, D. Wettergreen, I. Nourbakhsh

5.Intelligent perception and control for space robotics Faisal Qureshi · Demetri Terzopoulos

6.Machine Intelligence and Robotics:Report of the NASA Study Group

7.Space Robotics TERRY FONG, NASA AMESINTELLIGENT ROBOTICS GROUP

8.Space robotics Peter Putz

9.Robot Arm Transformations, Path Planning, and Trajectories Robert Stengel Robotics and Intelligent Systems MAE 345, Princeton University, 2015


下期聊聊空间望远镜,看看为什么我们要把形形色色的望远镜搬到天上去,欢迎继续关注。



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[航天甲子年五十讲] 往期回顾


【航天甲子年50讲】 01 飞天

【航天甲子年50讲】 02 轨道力学

【航天甲子年50讲】 03 轨道摄动

【航天甲子年50讲】 04 奔月:从地球到月球

【航天甲子年50讲】 05 空间任务几何

【航天甲子年50讲】 06 空间环境

【航天甲子年50讲】 07 卫星设计流程

【航天甲子年50讲】 08 载人航天

编辑于 2017-12-06