空间机器人遥操作系统设计

第1章 绪论 1.1 空间机器人 自20世纪80年代美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Admini- stration，NASA)提出在轨服务机器人概念以来[1]，随着空间技术的快速发展和空间活动的不断增加，人类迫切需要探索研究地球空间及地球以外的星体和星系，空间机器人应运而生[2]。空间机器人能够代替宇航员完成复杂、危险的空间操作任务，扩大空间任务的可达工作区，提高工作效率，还可节省大量时间和资金成本[3]。因此，空间机器人在空间在轨服务领域发挥着越来越重要的作用，如国际空间站(International Space Station，ISS)的装配与维护、航天器维修与保养、航天器升级、航天器辅助交会对接、燃料补给、载荷搬运、故障卫星捕获回收与修理、空间碎片清理、空间生产与科学实验的支持，以及其他星体表面探测等[3-5]。 目前，对于“空间机器人”这一概念，很多学者及国际研发报告等都曾给出过相关定义。Bekey等[6]指出空间机器人是一类通用机器，它至少在一段时间内能够在严酷的空间环境下生存，并能够进行探索、装配、建造、维护、服务等任务，或能够进行在机器人设计时可能未被完全理解的其他任务。林益明等[2]定义空间机器人是在太空中执行空间站建造与运营支持、卫星组装与服务、行星表面探测与实验等任务的一类特种机器人。梁斌等[7]指出空间机器人是工作于宇宙空间的特种机器人。我国关于印发《机器人产业发展规划(2016—2020年)》的通知中，将空间机器人、仿生机器人和反恐防暴机器人等归类为特种作业机器人。 相比地面机器人，空间机器人面对的应用环境较为特殊，如发射段力学环境、空间高低温、轨道微重力或星表重力、超真空、空间辐照、原子氧、复杂光照、空间碎片等，这需要其具有较强的太空环境适应能力，在资源受限和维护缺乏的情况下，仍具备较长的使用寿命和较高的可靠性[8]，能够针对不同的空间对象和多样的空间任务，完成抓取捕获、搬运移动等特殊操作任务。根据不同的分类方式，空间机器人有不同的分类方法。美国NASA研究小组(NASA exploration team，NEXT)按任务特点和作业环境，将空间机器人分为在轨操作机器人和行星表面探测机器人两种[9]。郭琦等[10]按控制方式不同，将空间机器人分为主从式遥控机械手、遥控机器人和自主式机器人三类。洪炳镕等按照空间机器人发展历程，将空间机器人分为舱外活动机器人(extravehicular robot，EVR)、科学有效载荷服务器和行星表面漫游车三类[11]。此外，空间机器人还可按照基座控制方式、作业位置、功能等进行分类。 频繁发生的卫星失效事件、不断增加的空间碎片清理问题、空间站的建设与维护需求、新型在轨服务技术的发展需求等不断推动着空间机器人技术的快速发展，欧美、日本等发达国家经过几十年的发展，在理论研究和在轨实践方面均取得了丰硕的成果，积累了丰富的经验[12-17]。而我国在空间机器人方面的研究起步较晚，相关工作大多为基础研究工作，部分单位/高校成功搭建地面实验平台并完成地面验证实验[18-26]。2016年6月，中国国家航天局(China National Space Administration，CNSA)制作的空间机器人发展路线图也指出，要加强空间机器人领域基础理论的突破，提出更多独创性的概念，未来中国将在空间在轨服务机器人、月球与深空探测机器人、空间环境治理机器人等领域，开展一系列共性和专业关键技术攻关。 1.2 遥操作的应用领域 遥操作主要应用于因特殊原因而不宜将操作员置于作业现场的情况，如作业现场不利于人的生存和活动，将操作员送至作业现场的成本太高等。随着人类生活生产的进步，遥操作作为一种能够将操作员和作业环境分离的操作控制模式，在诸多领域中具有广泛的应用前景[27，28]。目前，遥操作主要应用在以下几个领域。 (1) 工程领域中特殊环境下的作业。在高温、强辐射及深水环境下，人工作业不仅不能有效保障作业人员的人身安全，而且无法适应更高的操作难度。若使用遥操作机器人取代人进行工程作业，则利于降低安全风险并提高作业效率。目前，使用遥操作方式控制的机器人已经被用于核辐射源的移动、替换和清理，海底勘探，石油开采，救捞作业，深水管道以及电缆的铺设检查和维护等情况。 (2) 航天领域中空间科学实验、在轨服务等的控制。空间的微重力、高真空、低干扰环境为许多科学实验提供了良好的条件。然而空间站上的资源(包括人力、能源、知识、技能等)有限，无法充分利用空间站提供的良好条件。遥操作使科学实验的专家能够在地面在线地控制实验，*大限度地发挥实验设备和资源的作用，用*小的风险获得仅靠在轨人员或运行程序难以得到的数据。这是遥科学*初提出的目标，也是目前遥操作*主要的应用领域。 (3) 深海探测。法国的EPAVLARD、美国的AUSS、俄罗斯的MT-88等水下机器人已用于海洋石油开采、海底勘探、救捞作业、管道和电缆的铺设检查与维护等。我国成功研制了1000m水下无缆自治机器人，又与俄罗斯强强合作，成功研制了CR-01 6000m水下无缆自治机器人，并实现了工程化。 (4) 医学领域中的远程医疗。将遥操作应用于医疗，可以服务于广大的疾病患者，使他们可以在本地享受高水平的医疗服务。利用遥现和遥信技术对患者进行远程会诊的技术已经成熟并投入使用，各种远程诊断系统相继建立。通过这些系统可以将分布在世界各地的医学专家组织起来，共同完成对一个或多个患者的诊断及治疗。相比之下使用遥作技术进行远距离手术尚处于研究实验阶段，但也取得了相当大的进展。2019年，得益于5G网络，中国人民解放军总医院肝胆胰肿瘤外科医生刘荣，远程操控50公里外的机器人，成功完成了小猪肝小叶的切除手术，手术全程持续大约1小时。该次手术是世界首例5G远程外科手术。有理由相信，遥医技术被普遍应用于患者病情的诊断及治疗的时代已经为期不远。 (5) 军事领域中无人武器的操纵。各种高技术武器对装备驾驶员的要求越来越高，同时，驾驶员的生理承受极限会严重影响装备的设计及其性能的发挥，且目前各国对战争中人员伤亡越来越重视，许多国家都倾向在战斗中使用无人驾驶高性能武器。无人驾驶武器除了需要通过自主智能化技术提高武器装备自主应变的能力之外，更加依赖控制中心对其进行遥控的能力。美国、以色列等国家在无人驾驶武器领域取得了相当大的进展，其研制的无人驾驶武器多次完成精确打击、情报侦察等高难度任务。可以预见，各种遥操作相关技术的应用可以改变传统军事系统的结构概念，即传统的C3I(即“指挥、控制、通信与侦察”)系统可能变成T3(即“遥现、遥作与遥信”)系统。 (6) 日常生活。随着计算机互联网的飞速发展，基于互联网的机器人遥操作技术正成为研究的热点。通过网络遥操作技术可以执行异地服务、远程教学、设备共享、异地危险复杂环境下的实验等任务，提高人类的生活质量。 1.3 空间机器人遥操作应用 遥操作装置的诞生可以追溯到第二次世界大战以后的美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory，ANL)，**台伺服式遥操作工具如图1.1所示，它是基于机械伺服原理开发的一款操作工具[29，30]。遥操作技术历经了机电伺服、远动电子学、无线传输乃至网络化等各个阶段。至今，遥操作技术已成为发达国家在先进远程化装备中所普遍优先采用的一项系统性关键技术。特别是随着人类空间活动的不断发展和复杂空间应用需求的日益扩大，以空间机器人和空间有效载荷控制为目标的遥操作技术愈加受到科技强国的重视。在过去的二十多年中，世界上航天强国围绕在轨服务开展了大量卓有成效的研究，包括一系列地面实验、在轨实验和技术演示验证。目前，*成功的空间机器人遥操作应用是于1998年11月15日成功发射升空的ISS**组成部分——曙光号功能货舱。ISS计划建立了众多遥科学/遥操作支持中心。ISS是人类历史上第9个载人的空间站，也是有史以来*大的空间站。ISS在低地球轨道(low earth orbit，LEO)上运行，主要用于微重力环境下的研究实验[31]，到2019年12月31日为止，已经在轨运行7700余天。ISS外观(2018年10月4日)如图1.2所示。 图1.1 **台伺服式遥操作工具 图1.2 ISS外观(2018年10月4日) 1.3.1 美国空间机器人遥操作应用 早在20世纪70年代初，美国就提出了在空间飞行器中加强采用遥操作技术的思路。自80年代起，NASA利用在航天飞机上安装的机器人及其舱内供宇航员使用的遥操作系统[32]，在空间多次成功地进行了轨道飞行器的组装、维修、回收和释放等操作，如1984年参与修复了玛克希姆太阳观测仪，1997年借助遥操作机器人成功修复了哈勃望远镜(Hubble Space Telescope，HST)。目前，这种机(站)载机器人及其遥操作系统已成为ISS组装阶段的主要装配工具。 NASA的报告指出，未来短时间内将有一半的在轨和行星表面工作通过遥科学(遥操作)或遥操作机器人的方式来运行。目前，NASA已陆续建立并改造完善了若干个遥科学中心和遥操作中心。 (1) 马歇尔航天飞行中心(Marshall Space Flight Center，MSFC)的有效载荷操作与集成中心(Payload Operations Integration Center，POIC)。POIC主要用于开展微重力环境下的空间材料科学、生物技术研究和空间产品开发。 (2) 艾姆斯研究中心(Ames Research Center，ARC)的载荷操作部。该载荷操作部侧重于开展微重力环境下的生物研究。 (3) 格伦研究中心(Glenn Research Center，GRC)的遥科学支持中心。该遥科学支持中心开展微重力环境下的流体和燃烧实验。 (4) 约翰逊航天中心(Johnson Space Center，JSC)的空间任务控制中心。目前*新的中心具有两个空间任务操作控制室，允许在执行实时任务的同时进行训练，为后续任务做准备。 (5) 喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)。JPL于1997年建立了漫游机器人的遥科学支持系统(web interface for telescience，WITS)[33]，有效地开展行星探索机器人的操作与控制，在火星探路者(Mars pathfinder，MPF)计划中发挥了关键作用。MPF三代如图1.3所示。 图1.3 MPF三代 1986年，美国开展飞行遥控机器人(flight telerobotic servicer，FTS)项目[34]，该项目是由美国*早开展的空间机器人项目，其主要目的是设计能够在ISS执行典型任务的空间遥机器人设备，给宇航员提供一个装配ISS或维修卫星的鲁棒系统[35]。FTS由两个完全相同的七自由度机械臂和一个五自由度的定位臂组成，其中两个七自由度机械臂用于执行空间抓捕、安装等任务，而五自由度机械臂用于将FTS系统固定于空间某个位置(如固定于ISS的特定部位)[36]。美国FTS系统如图1.4所示。由于20世纪80年代末自由号ISS项目资金的减少，FTS项目也于1991年9月停止。 Ranger计划(Ranger telerobotics program)[37，38]是由美国NASA资助，马里兰大学空间系统实验室(Space Systems Laboratory，SSL)提出并研制的灵巧空间机器人服务系统。在SSL 20多年来对哈勃太空望远镜机器人服务的实验和理论研究基础上设计Ranger，主要是为了满足HST机器人服务的要求。为了在地面对Ranger的服务功能进行测试，马里