【航天甲子年50講】 09 空間機器人

01-25

文：晟宇（視頻講解）

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前言

說到空間機器人，一下就使得我們的話題平添了很多科幻色彩。雖然晟宇嘗試過很多次去寫科幻小說，實在文筆糟糕，自己都看不下去。於是常常提筆即罷筆。

對於科幻的迷戀使得我個人腦海里和空間機器人直接產生聯繫的就是星球大戰里的R2-D2。這個角色貫穿全部系列電影，而且立下奇功，讓人印象深刻。

R2-D2

然而實際上空間機器人所涵蓋的範圍非常大，像R2這樣的陪伴型機器人只是其中的的一種。下面我們準備開始逐一的介紹一下各種各樣的空間機器人。

空間機器人的出現是一個非常自然的過程，從人類開始空間探索這一概念就開始孕育。道理也非常的簡單，一方面是地面機器人技術的發展，一方面是空間的確需要機器人。

由於很多空間任務實際上就是「自殺」任務，很多航天器是無法返回地球的，同時又需要進行很多複雜的空間任務，所以需要發展空間機器人技術。另外空間機器人在很多方面也能彌補人在力量，精度等方面操作的不足。隨著人機交互等技術的發展，像R2這樣的機器人在輔助之外甚至還能發揮一些情感關懷的功能。

從概念到現實的空間機器人

1.什麼是空間機器人

沒有找到嚴格的定義，為了讓大家更好理解我權且犧牲一些嚴謹性進行一個歸納和分類。空間機器人就是能適應空間環境，可以自主開展空間探測、空間操控等空間服務，獨立或者輔助宇航員完成空間任務的機器人。

這裡的分類選取了空間機器人工作場所與地球的距離作為維度。面向深空任務的飛行器基本都具備機器人的特性，由於深空與地球之間的通信存在較大的時延甚至完全通信失連的狀態，所以對其自主性提出了很高的要求。

第二種是星球表面的自主巡遊器，例如好奇號。這一類的空間機器人往往需要非常強的環境感知能力和自主任務規劃能力，來開展星球表面的探測。如今這裡巡遊器主要是巡遊車。有大氣的星球也會有巡遊機，有海洋的星球也會有潛艇。

第三種是近地軌道工作的自主探測器，一般是自主的微納衛星，具備很高的機動性能和成像性能，主要應用於空間目標的探測。

第四種是在軌服務與維護系統，也是近地環境中最為複雜的機器人系統。這一系統涵蓋的範圍很廣，從空間站上使用的機械臂系統，在軌服務的機器人等等都屬於這一範疇，其應用主要是飛行器的故障排除，在軌維護升級等等。

最後一種是宇航員的好幫手，幫助宇航員完成空間站等飛行器中複雜的科學實驗任務以及知識服務和陪伴。

下面我們就展開了逐一進行介紹。

2.深空自主飛行器

深空飛行器一般都具備較高的自主能力。我過去的文章曾經介紹過到小行星Bennu去採樣的OSIRIS-REX就是這一類的飛行器。具體任務介紹可見一言不合就到小行星採礦！｜關於OSIRIS－REx你需要知道的十件事和看心機Boy如何追到白富美！ | NASA探測器OSIRIS-REx是如何與小行星Bennu交會的.

這種飛行器的任務長期而且複雜，包含了對目標的軌道逼近，需要自主導航。逼近目標之後要開展較長時間的探測任務，需要對飛行器的任務和資源進行自主管理。也需要進行一些基於探測結果的決策過程。

最後還要進行與目標（小行星）的交會，在小行星的表面進行採樣的操作，完成複雜的操作過程之後，還要攜帶樣本返回地球。當然了很多過程實現了自主，一些關鍵的決策還是有人參與的。

3.星球表面巡遊器

最為著名的星球表面巡遊器就是好奇號火星探測器了。故名思議星球表面巡遊就是對星球表面的探測。人類登月已經進行了非常巨大的投入，到今天載人探測火星依然有很多難關等待突破，很多資源需要投入。所以派出自主的機器人先去探探路就再自然不過了。

星球表面巡遊器面臨的環境比空間自主飛行器要複雜許多，任務類型也更多樣。因此對於環境的感知，對於自身狀態的感知，對於任務的規劃，巡遊路線的優化等方面都需要突破。

好奇號

由於任務的繁重，因此其組成系統也更加複雜，包含了用於環境感知的視覺系統、用於採樣的操控系統、用於巡遊的動力系統、用於鏈接地球的通信系統等。

視覺感知的地面試驗

路徑規劃示意

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好奇號官方介紹NASA

4.自主探測飛行器

自主探測飛行器一般應用於空間目標的探測。這一類型的探測器一般具備一定的自主機動變軌能力，可以形成對目標飛行器的繞飛，跟飛，懸停等空間相對編隊構型。同時一般都具備較好的成像探測能力，可以對目標飛行器的健康狀況進行檢測，隨著探測能力的提高，甚至可以直接檢測出目標飛行器的故障點。

曾經參與的天宮二號伴隨衛星就屬於這一類型的飛行器，通過飛越成像獲取了天宮二號和神舟飛船組合體的圖像數據，屬於這一類型的還有AERCam任務。伴隨智能技術的發展，這些靈巧的小眼鏡，以後不但能看，還能自己看懂。

5.在軌服務與維護系統

這一類的飛行器說白了就是給衛星看病的飛行器。那麼要給病人看病總得先靠到病人身邊吧。所以首要的能力就是自主快速交會對接能力。美國的軌道快車計劃就是驗證的這一能力。這一實驗是利用NextSat和ASTRO這兩顆子母星來實現，奠定了空間在軌服務與維護的軌道能力基礎。

如今美國真正如火如荼地推進RSGS在軌服務機器人項目，這一項目就是建立在像軌道快車這樣的先期能力基礎上的。具體內容可以參加我是光，我是電，我是太空中的小護士～～閑聊DARPA的地球同步軌道衛星自助服務(RSGS)計劃，其實我是蜘蛛俠.

這裡也對該項目進行一個簡單的介紹。RSGS項目就是利用具備兩個或者多個機械臂，配備齊全工具的機器人飛行器來對產生故障的飛行器進行服務。它計劃演示的項目包括了故障排除，在軌的升級以及軌道的重新部署。

更直觀的過程我們可看看用來給Landsat7注入新生的Restore-L 任務，該任務與RSGS非常接近。

https://www.zhihu.com/video/921827987178016768

Restore-L 任務演示（NASA）

6.機械臂

前面的各個類型空間機器人的介紹中，我們都看見到了下面這個核心系統，就是機械臂系統。從需要小行星採礦的自主飛行器，到好奇號再到RSV在軌服務機器人都配備的一個或者多個機械臂。

機械臂是空間機器人進行操控的核心技術集合。（包含了從機械到控制演算法，從機器視覺到全套工具集等多項關鍵技術）

衡量機械臂的能力包含了以下一些要素，機械臂的長度決定了他工作的範圍，自由度決定了其操控動作的複雜程度、機械臂的質量決定了它能實現的精度（並不直接影響）和操控能力、機動的扭矩和速度決定了機械臂的敏捷性等等。

機械臂操控示意

機械臂也可以分為遙控型和自主型。可以由宇航員直接操控，也可以由地面人員遙操作，遙操作由於有時延，也具備一些針對時延的操控優化。自主型的機械臂就完全自主進行操控路徑的規劃與實施。

機械臂地面試驗

為了提高操控的精度，機械臂的終端往往還有一個複雜的終端系統，包含了基於機器視覺的探測器，光源等來提高精度。

國際空間站加拿大機械臂2

加拿大是把機械臂技術當作「國技」來發展的，空間站、RSGS等項目中執行複雜操控任務的機械臂都來自加拿大。機械臂和雷達探測技術在加國被發展到了極致，我們可以看到下表中，在機械臂相關的項目中加拿大都得了高分。

機械臂在國際空間站的多項任務中發揮著極其重要的作用，從大型器件的搬運，宇航員的艙外活動等都離不開它。

7.輔助型機器人

輔助型機器人大概是最符合我們想像的機器人了。這一類型的機器人首先具備了非常高的操控能力。例如Robonaut 2就具備了非常接近人類的操控能力，可以進行一些精密複雜的操控。

一方面人形機器人實現了很高的操控能力可以承擔和人類幾乎相同的空間任務，另外一方面隨著人工智慧技術的進一步發展，在人機交互方面可以為宇航員提供更多服務，例如知識輔助、事物輔助、情感交流，當然未來也會出現機器人繞不開的倫理問題。

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

Robonaut 2官方介紹視頻

主要參考NASA，MDA，DARPA官網，除了大白話是我說的，知識都是搬運的。

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

下期聊聊空間望遠鏡，看看為什麼我們要把形形色色的望遠鏡搬到天上去，歡迎繼續關注。

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