不吹不黑，空間機器人究竟是怎樣一種存在？

出品| 網易新聞

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　談到空間機器人，可能大家最先想到的是出現在各種科幻影片中的仿人機器人，例如下面這些：

　　但是實際上，鼻子眼睛耳朵這些對於機器人來說略顯花哨的東西已經被科研人員們通通略過了，目前的空間機器人大多數只剩下一個機械臂：

　　對於它們而言，眼下的關鍵詞只有一個：能用。

　　空間機器人其實是一個很大的領域，中國在這個領域已經有不少達到世界領先水準的成果，例如月球車「玉兔」，它就是一種星球探測機器人，再比如中國即將於2022年投入運營的載人空間站，它由一個核心模塊、兩個實驗艙和一個貨運飛船組成，這些模塊將通過使用由大臂（10米）和小臂（5米）組成的遙控空間機器人操縱系統在飛行軌道上裝配。

　　不吹不黑，今天我們就來給大家講講空間機器人的內容。

（一）按應用場景，空間機器人可以分成三大類

　　空間機器人就是在太空空間中應用的機器人，按照應用的具體場景，它可以分為三大類：用於太空飛行器上的艙內外服務機器人、可以獨立在宇宙空間自由飛行的自由飛行空間機器人和用於月球、火星等探索的星球探測機器人。

　　服務機器人分為艙內和艙外兩種，都是附著在飛行器上的。

　　艙內服務機器人通常體積小、質量輕、活動範圍較小，擁有很高的靈活性和機動性，可以輔助航天員完成艙內工作，例如艙內裝配等；艙外服務機器人與之相比體格更大也更有勁，可完成較大型的任務，包括小型衛星的捕獲及維護、目標搬運、在軌裝配等任務。

　　因為太空環境惡劣，艙外服務機器人還可代替或者輔助航天員完成部分出艙活動的任務，宇航員可以被固定在機械臂的末端進行太空行走、完成空間站的維修等工作。

　　自由飛行空間機器人相較於第一類，明顯的特點是具有自主飛行的能力，一般由作為機器人本體的衛星和搭載其上的機械臂組成，可以用來對衛星進行在軌服務，例如進行在軌的維修、裝配等。

　　而星球探測機器人則是指適用於月球或行星表面執行探測任務的一類機器人，一般附有輪子，機器人形體類似於車體，用來進行樣品收集、科學儀器的安置以及著陸地點的探測等。開頭我們提到的 「玉兔號」就屬於這一類。

（二）空間機器人的第一個挑戰：工作環境難以模擬

　　工作環境是空間機器人面臨的重大挑戰，畢竟，它們的真正工作環境是微重力、高真空、超低溫、強輻射、照明差的太空，而這些條件在地面是難以模擬的。

　　比如微重力這種條件，飛機拋物線飛行法可以進行模擬，其原理類似於我們人在電梯下落中體驗到的短暫失重。這種失重是真正的失重——人全身上下每一個細胞、每一個原子都處於失重狀態。

　　但是，這種方法創造的微重力環境持續時間短、價格昂貴，最常用於航天員的訓練，機械設備的模擬實驗一般不會用到。

　　除了上面這個方法，氣浮法、水浮法和吊絲配重法等也是經常採用的方法。

　　氣浮法是採用氣足（又稱空氣軸承），將空間機械臂支撐在光滑的氣浮台上，利用氣足噴氣的反作用力抵消機械臂的重力；水浮法是在大型中性水池中模擬微重力環境，通過添加配重使得空間機械臂在水中的浮力與重力相平衡；吊絲配重法是通過滑輪組利用配重物的重力來補償空間機械臂的重力，即採用吊絲豎直向上的拉力來平衡空間機械臂的重力。

　　和飛機拋物線飛行方法不同的是，這幾種方法實際上並不是真正的失重，只是能做到讓空間機器人受到的力的合力為零，而不能保證其每個原子都失重——不過幸好這對於機器來說並不重要。

（三）空間機器人的第二個挑戰：怎樣「穩准狠」地抓取目標

　　空間機器人的工作說白了就是抓東西並將其送到指定地點，這個問題並不簡單。

　　空間目標有的是受控的，比如艙內的元件、人造地球衛星；有的是失控的，比如小行星，它有各種形狀，要想抓牢，空間機器人的手必須跟人手一樣能適應各種情況。

　　另外，空間目標可能同時處於各種運動模式，如三軸穩定、自由漂浮或者翻滾，空間機器人需要依靠在宇宙空間中十分昏暗的光照條件下看到的圖像對空間目標的運動進行判斷，而由於計算速度受到限制，其給出的測量信息往往與目標當前的狀態並不一致，存在時間延遲，因而需要有相應的演算法，對目標的運動狀態進行實時預測。

　　再者，空間機器人在抓取的時候還要保證自己「不手抖」，這很好理解，為了讓機械臂自由活動，它的很多關節是可以動的，這些關節越多、機械臂看起來就越軟，稍微有個環節出差錯，機械臂就非常難精確控制了；另外為了大活動空間和減輕重量，機械臂容易造的又細又長，這樣也容易抖，這都對機械臂的可靠性提出了要求。

　　春節有一個段子，「自從我知道上太空每重一公斤就要多花十萬塊錢，我就開始控制自己的體重」，要知道，火箭每次發射攜帶的重量十分有限，在這樣的限制下把機械臂做好並非易事。

（四）空間機器人的第三大挑戰：惡劣環境下如何保證可靠性

　　上面說的幾個問題已經讓空間機器人的研發難上加難了，可是真正考驗空間機器人的，是其在惡劣環境下的可靠性，也就是我們經常說的航天品質。

　　以空間機器人的熱設計為例，空間機械臂在軌姿態複雜，在由陽照面和陰影區轉換過程中，機構表面和內部在短時間內會產生上百攝氏度的溫差，這一溫差會給機構中活動部件的工作帶來威脅，輕則降低機構的性能，重則導致機構卡死，從而使整個機械臂無法正常工作。

　　而一些相機用的照明設備功耗很大，在真空中無法依靠空氣對流高效散熱，又不能將熱傳導到機械結構上，因此稍有不慎就會將自身燒毀，這些都對空間機器人的可靠性設計提出了要求。

　　目前，中國幾所航天航空專業較強的高校均設立了專門的可靠性工程院系；中國航天人創立的「問題歸零」制度成為國際標準，一旦發現一點問題，所有環節都要重來一遍，把故障的原因徹底弄清楚、復現解決後才繼續往下走，以保證絕對可靠…這些都說明了航天對可靠性的極端重視。

結語

　　在中國的航天領域，火箭和以人造衛星、空間機器人為代表的空間裝備正處於逐步向民用開放發展的階段。世界範圍內，像SpaceX公司上個月發射的獵鷹重型大推力火箭的技術發展，將極大地降低發射成本，刺激航天市場的快速擴張，空間機器人的重量限制將進一步解除，巨大的應用前景也將帶領這個行業快速前進。

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編輯| 曹雪、史文慧