昨天是2025年的第一天，神舟十九號(hào)航天員乘組從空間站中發(fā)回了節(jié)日祝福。網(wǎng)友們紛紛表示中國(guó)空間站科幻化了，被航天員王浩澤的新伙伴——空間中智慧助手小航吸引了注意力。本篇，一起了解在國(guó)際空間站上工作的機(jī)器人吧！
國(guó)際空間站的投入使用，給國(guó)際空間站操作機(jī)器人的研制提供了廣闊的空間。各種機(jī)械臂、自動(dòng)拍攝機(jī)器人、自動(dòng)衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)應(yīng)運(yùn)而生。
△國(guó)際空間站是迄今最大的空間設(shè)施
ROTEX項(xiàng)目
1993年德國(guó)航天局的ROTEX項(xiàng)目是德國(guó)太空自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)的起點(diǎn)。其實(shí)ROTEX在1988年就發(fā)起了，1993年作為“太空實(shí)驗(yàn)室D2”任務(wù)的一部分，隨哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)升空。
項(xiàng)目核心是一個(gè)小型六軸機(jī)械臂，安裝了復(fù)雜的多傳感器夾持器，主要試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是盡量實(shí)現(xiàn)基于傳感器的自主操作，但是也充分考慮地面遠(yuǎn)程遙控技術(shù)。具體傳感器包括兩套六軸扭矩傳感器（基于應(yīng)變計(jì)和光學(xué)傳感器）、用于抓握力控制的觸覺陣列。由9個(gè)激光測(cè)距儀組成的陣列。此外，有一對(duì)微型立體攝像頭從夾持器內(nèi)向外拍攝立體圖像，用一對(duì)固定的攝像頭拍攝機(jī)器人工作區(qū)域的立體圖像。
△ROTEX 項(xiàng)目的機(jī)械臂
具體任務(wù)有3項(xiàng)：組裝機(jī)械網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、使用夾持器連接/斷開軌道可更換單元（ORU）、抓住漂浮的物體。飛行驗(yàn)證表明，ROTEX項(xiàng)目的機(jī)械臂可以根據(jù)地面預(yù)編程來自動(dòng)運(yùn)行，也可以由航天飛機(jī)乘員遙控操作，或者地面遙控操作，還可以在地面重新編程后上傳刷新。
羅克維斯（ROKVISS）
羅克維斯是德國(guó)研制的國(guó)際空間站外兩自由度操縱硬件測(cè)試臺(tái)。這是一種結(jié)構(gòu)奇怪的有趣機(jī)器人，它并不是用來執(zhí)行機(jī)械臂任務(wù)的，而是用來測(cè)試一些關(guān)鍵技術(shù)和器件，未來執(zhí)行更加緊密復(fù)雜的太空活動(dòng)。ROKVISS的意思是國(guó)際空間站上的機(jī)器人科學(xué)組件驗(yàn)證，用于測(cè)試遠(yuǎn)程呈現(xiàn)控制概念及其關(guān)節(jié)電子設(shè)備的可靠性。其目的是在未來制造可以在空間站甚至更遠(yuǎn)的軌道上工作的機(jī)器人。
羅克維斯于2005年1月26日安裝，航天員們?cè)?個(gè)小時(shí)的艙外活動(dòng)期間，先把一個(gè)通用平臺(tái)連接到俄羅斯星辰號(hào)服務(wù)艙的外壁上，然后把它裝在上面。
羅克維斯的主要部分是一個(gè)兩關(guān)節(jié)的機(jī)械臂，手臂尖端由一根金屬“手指”、一個(gè)立體攝像機(jī)和一個(gè)單聲道攝像機(jī)組成。通用平臺(tái)裝有用于配電和圖像處理的電子設(shè)備盒，還有一個(gè)外觀奇異的金屬構(gòu)件，上面切開了幾個(gè)孔洞，里面還有一根彈簧，掛著一個(gè)鉤子。這是用于動(dòng)態(tài)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和確定關(guān)節(jié)參數(shù)的特殊器材。機(jī)器人關(guān)節(jié)和相機(jī)由國(guó)際空間站內(nèi)的中央實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制。
機(jī)械臂可以在兩種不同的模式下運(yùn)行。自動(dòng)模式用于地面和航天員都不干預(yù)的場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)由國(guó)際空間站上的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)控制，數(shù)據(jù)保存下來，日后評(píng)估。還有一個(gè)遙控操作模式，在設(shè)想的衛(wèi)星維護(hù)和維修工作中，還是需要人類操作員直接參與到控制回路的，因?yàn)榇祟惾蝿?wù)具有不可預(yù)見性，很難在地面上預(yù)先設(shè)定程序。考慮到國(guó)際空間站距離地面比較近，而且測(cè)控覆蓋比較充分，因此地面操作員可以全天時(shí)操作。當(dāng)然，德國(guó)操作員更傾向于在空間站飛越德國(guó)南部魏爾海姆的時(shí)候，用德國(guó)航天局自己的天線直接控制，沒有明顯時(shí)間延遲。這樣，在地球上操作機(jī)械臂的科學(xué)家?guī)缀蹩梢詫?shí)時(shí)接收到有關(guān)機(jī)械臂動(dòng)作的視覺和感官反饋。
測(cè)試中，地面操作員通過力反饋，可以直觀感受到機(jī)器人在太空環(huán)境中的特殊受力情況。工程師們還測(cè)試了它在運(yùn)動(dòng)過程中吸收能量的情況，以及軸承和齒輪在太空中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的摩擦表現(xiàn)。攝像機(jī)記錄了測(cè)試過程，并將視頻實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂剖?，讓科學(xué)家對(duì)實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)和功能有一個(gè)真實(shí)的印象。
△德國(guó)羅克維斯機(jī)器人地面實(shí)驗(yàn)中
太空輻射對(duì)羅克維斯是一個(gè)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)轭l繁的離子轟擊可能會(huì)損壞電子元件。為了防止電子設(shè)備被破壞，控制模塊中集成了一項(xiàng)功能，一旦發(fā)生短路，就自動(dòng)關(guān)閉電源并消除存儲(chǔ)的能量。由于極端的溫度波動(dòng)，機(jī)器人關(guān)節(jié)必須承受零下20攝氏度到零上60攝氏度之間的考驗(yàn)。
△德國(guó)羅克維斯機(jī)器人在軌試驗(yàn)情況
這項(xiàng)試驗(yàn)的主要目的，是開發(fā)未來的輕型機(jī)器人，能夠?qū)嵤└訌?fù)雜的維修或者組裝工作，而且可以由操作員在地面上直接操作。
ROKVISS實(shí)驗(yàn)的費(fèi)用為1150萬歐元，其中包括350萬歐元用于國(guó)際空間站的發(fā)射、組裝和運(yùn)行。
SPHERES
SPHERES是國(guó)際空間站上的內(nèi)部微衛(wèi)星測(cè)試臺(tái)。它的全名是“同步位置保持、接合和重新定向?qū)嶒?yàn)衛(wèi)星”，也是“太空蜜蜂”的前身。它是由麻省理工學(xué)院空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室為美國(guó)宇航局和美國(guó)軍方開發(fā)的，用作開發(fā)計(jì)量、編隊(duì)飛行、交會(huì)、對(duì)接和自主算法的低風(fēng)險(xiǎn)、可擴(kuò)展測(cè)試平臺(tái)。
△SPHERES 在空間站內(nèi)部實(shí)驗(yàn)中
SPHERES的最初開發(fā)始于1999年。大衛(wèi)·米勒教授向?qū)W生提出挑戰(zhàn)，要求他們開發(fā)一種類似于電影《星球大戰(zhàn)：新希望》和《星球大戰(zhàn)：克隆人的進(jìn)攻》中的戰(zhàn)斗訓(xùn)練遙控器，提出了艙內(nèi)衛(wèi)星的概念。
在最初的開發(fā)之后，SPHERES計(jì)劃由麻省理工學(xué)院的空間系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室接管，建造了6顆飛行準(zhǔn)備衛(wèi)星，其中3顆被放入國(guó)際空間站。它們可以在國(guó)際空間站和地面實(shí)驗(yàn)室中使用，但沒有在真正太空中飛行的能力。
每顆SPHERES衛(wèi)星都類似于一個(gè)18邊形的多面體。衛(wèi)星的鋁結(jié)構(gòu)被封閉在一個(gè)半透明的塑料外殼中。外殼呈紅色、藍(lán)色、橙色或黑色，有助于識(shí)別。國(guó)際空間站的3顆衛(wèi)星分別是紅色、藍(lán)色和橙色。每個(gè)單元的最大直徑為22.9厘米，包括消耗品在內(nèi)的質(zhì)量為4.16千克。衛(wèi)星可以使用916.5MHz、16kbit/s的無線電鏈路相互通信，與控制站（筆記本電腦）的通信使用868.35MHz、16kbit/s無線電鏈路完成。
△SPHERES 衛(wèi)星在艙內(nèi)
SPHERES衛(wèi)星通過使用23個(gè)超聲波接收器（MurataMA40S4R）和5個(gè)外部超聲波參考信標(biāo)來確定其位置和姿態(tài)，輔以加速度計(jì)（3x霍尼韋爾QA-750單軸加速度計(jì)）和陀螺儀（3xSystronDonnerQRS14單軸速率陀螺儀）的數(shù)據(jù)。
SPHERES衛(wèi)星使用兩個(gè)不可充電的12v電池組供電，虧電需要更換。這在后續(xù)型號(hào)中得到了改進(jìn)。SPHERES衛(wèi)星使用12個(gè)二氧化碳冷氣推進(jìn)器實(shí)施機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制。液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)存在一個(gè)小型容器中。衛(wèi)星的最大線加速度為0.17m/s2，精度為0.5厘米。最大角加速度為3.5rad/s2，精度為2.5度。但是在艙內(nèi)噴射二氧化碳并不理想，“太空蜜蜂”等后續(xù)型號(hào)也做了改進(jìn)。
“太空蜜蜂”
“太空蜜蜂”系統(tǒng)由3個(gè)立方體形狀的機(jī)器人、軟件和一個(gè)用于充電的擴(kuò)展塢組成，機(jī)器人的形狀是12.5英寸（31.75厘米）邊長(zhǎng)的立方體，可以自主返回為電池充電。“太空蜜蜂”取代了SPHERES，擔(dān)當(dāng)空間站的機(jī)器人測(cè)試設(shè)施。機(jī)器人使用電風(fēng)扇作為推進(jìn)系統(tǒng)，不再排放二氧化碳，使它們能夠在空間站的微重力環(huán)境中自由飛行。攝像頭和傳感器幫助它們“看到”和導(dǎo)航周圍環(huán)境?！疤彰鄯洹边€攜帶有一個(gè)棲息臂，使它們能夠抓住扶手靜止不動(dòng)，以節(jié)省能源或抓取和握住物品。
任務(wù)科學(xué)家可以使用“太空蜜蜂”進(jìn)行研究，這將有助于為未來的任務(wù)開發(fā)硬件和軟件技術(shù)。由于機(jī)器人是模塊化的，可以升級(jí)，該系統(tǒng)為研究人員和科學(xué)家提供了在空間站內(nèi)進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)的能力。這樣的機(jī)器人還有可能成為未來航天器的“看護(hù)人”，在航天員離開時(shí)監(jiān)控和保持系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
2018年11月17日，“太空蜜蜂”的支持設(shè)施搭乘CRS-10商業(yè)補(bǔ)給任務(wù)進(jìn)入國(guó)際空間站，并于2019年2月15日安裝在空間站的日本實(shí)驗(yàn)艙中。
△試驗(yàn)中的“太空蜜蜂”
2019年4月17日，“太空蜜蜂”的前兩個(gè)機(jī)器人“笨拙”（Bumble）和“蜜”（Honey）搭乘CRS-11任務(wù)上天。
2019年7月25日，第三個(gè)自由飛行機(jī)器人“蜂后”（Queen）和3個(gè)棲息臂搭乘太空探索技術(shù)公司的第18次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)（CRS-18）進(jìn)入國(guó)際空間站。
“太空蜜蜂”的主要工作之一，是在艙內(nèi)攝影。但除此之外，它還有另一項(xiàng)科研任務(wù)，這項(xiàng)任務(wù)對(duì)艙外的技術(shù)發(fā)展有很重要的意義。
美國(guó)宇航局曾經(jīng)實(shí)施過一項(xiàng)名為自主機(jī)動(dòng)相對(duì)操作（ROAM）的實(shí)驗(yàn)，主要是演示了機(jī)器人衛(wèi)星與太空碎片交會(huì)的過程。多數(shù)空間碎片是“死衛(wèi)星”，有些可以修復(fù)，有些需要送入大氣層銷毀。但是這些衛(wèi)星多數(shù)在翻滾當(dāng)中，機(jī)器人衛(wèi)星靠近它們實(shí)施捕捉，有很大的風(fēng)險(xiǎn)。所以，美國(guó)宇航局試圖通過ROAM實(shí)驗(yàn)，讓“太空蜜蜂”在艙內(nèi)模擬失控衛(wèi)星的翻滾，并且進(jìn)行觀察和認(rèn)知，規(guī)劃交會(huì)和捕捉的算法。
ROAM計(jì)劃的主旨是先用一顆捕捉衛(wèi)星接近翻滾衛(wèi)星，建立坐標(biāo)系，然后用三維（3D）飛行時(shí)間相機(jī)，采用視覺估計(jì)算法，對(duì)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)慣性參數(shù)和伴隨的協(xié)方差進(jìn)行遠(yuǎn)程估計(jì)。利用對(duì)潛在目標(biāo)翻滾類型的離線模擬，生成使用估計(jì)數(shù)據(jù)在軌解析的查找表。這種基于非線性規(guī)劃的算法考慮了已知的目標(biāo)幾何形狀和重要的實(shí)際約束，如視野要求，在目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)框架中生成運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。同時(shí)，利用不確定度表征方法傳遞目標(biāo)翻滾中的不確定度，這樣，就能在慣性系中為參考軌跡提供擾動(dòng)邊界。最后，將該不確定性邊界提供給魯棒管模型預(yù)測(cè)控制器，為系統(tǒng)平移跟蹤參考軌跡的能力提供保證。
ROAM實(shí)驗(yàn)需要一到兩名航天員監(jiān)督“太空蜜蜂”的設(shè)置，一名地面操作員控制兩個(gè)太空蜜蜂機(jī)器人。航天員先把“太空蜜蜂”設(shè)置在初始方向上，而地面控制員則進(jìn)行最終定位和命令測(cè)試以開始執(zhí)行。使用機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）在兩個(gè)“太空蜜蜂”上收集數(shù)據(jù)，之后手動(dòng)傳回地面。此外，地面操作員和研究人員觀察實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)視頻流，以衡量測(cè)試進(jìn)度，并查看“太空蜜蜂”地面站提供的實(shí)時(shí)信息。
“太空蜜蜂”系統(tǒng)的目的也是把航天員的時(shí)間從簡(jiǎn)單勞動(dòng)中解放出來，讓他們更多地專注于只有人類才能做的事情。“太空蜜蜂”可以自主工作，也可以由航天員、地面控制人員或地面研究人員遠(yuǎn)程控制，可以用來盤點(diǎn)物資、記錄艙內(nèi)實(shí)驗(yàn)、甚至可以幫助搬運(yùn)貨物?！疤彰鄯洹毕到y(tǒng)還可以作為研究平臺(tái)，進(jìn)行裝備和編程，在微重力下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，為后續(xù)太空機(jī)器人研制積累經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。
日本的“內(nèi)部球”
航天員在空間站里不僅僅要做實(shí)驗(yàn)、維護(hù)設(shè)施，還需要攝影攝像，把空間站的運(yùn)行情況記錄下來。這些影像本身就具有很高的科學(xué)價(jià)值，并且可以作為科普素材。但是，占用一名航天員的寶貴時(shí)間去照相，似乎太浪費(fèi)了，畢竟維持一個(gè)人在軌的成本是非常高的。于是，美國(guó)宇航局先后啟動(dòng)了兩代艙內(nèi)機(jī)器人的研制和飛行，包括前文中說的SPHERES和正在空間站內(nèi)飛行的“太空蜜蜂”。
除了美國(guó)，日本也對(duì)艙內(nèi)機(jī)器人很感興趣。比如說，現(xiàn)在國(guó)際空間站上有一個(gè)叫做“JEM內(nèi)部球相機(jī)2”的機(jī)器人，簡(jiǎn)稱“內(nèi)部球”，也叫做自由浮動(dòng)遙控全景相機(jī)。它是日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)在2017年首次發(fā)射到空間站的。它的功能是用相機(jī)自主拍攝研究活動(dòng)的視頻和照片，節(jié)省航天員的時(shí)間，今后還可以用在其他任務(wù)的測(cè)試上。
“內(nèi)部球”真的就是個(gè)球，它自由漂浮在空間站的零重力下，在地面人員或者航天員控制之下飛來飛去，拍攝內(nèi)部照片?！皟?nèi)部球”重量只有1千克，直徑只有15厘米。那么，它是如何控制自己位置和姿態(tài)的呢？其實(shí)和地球上的無人機(jī)差不多。在“內(nèi)部球”里，裝了3臺(tái)反作用飛輪和12個(gè)螺旋槳推進(jìn)器。這樣就能夠在微重力環(huán)境下飛行、懸停和改變姿態(tài)了，而且比地球上的無人機(jī)更省電。“內(nèi)部球”的主要部件和外殼都是用3D打印制造的。模擬的兩只“眼睛”安裝在球的外部。外殼上還有燈光顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，比如正在錄制，等等。它的充電方式也和各種消費(fèi)電子產(chǎn)品一樣，通過USB接口進(jìn)行。
△航天員與“內(nèi)部球”互動(dòng)
日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)還研制和發(fā)射了“內(nèi)部球”2，增加了一些擴(kuò)展槽，能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜的功能。
根據(jù)日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的說法，用來拍攝影像的時(shí)間占到了空間站乘組日常工作時(shí)間的10%左右，這真的不是個(gè)小數(shù)字。所以，如果能通過“內(nèi)部球”的研究和實(shí)操，由地面人員遙控接管拍攝活動(dòng)，就能把航天員的時(shí)間節(jié)省出來了。這樣的技術(shù)不僅僅可以用在國(guó)際空間站上，以后還能用在月球和深空探索任務(wù)中。不過低軌道上的空間站與地面之間的通信時(shí)延比較小，遙控相對(duì)容易，到了月球、小行星或者火星，時(shí)間延遲就會(huì)大幅度上升，地面人員怎么控制攝照設(shè)備，還有更多的技術(shù)問題需要解決。
來源：中國(guó)航天科普、《太空探索》雜志
轉(zhuǎn)載時(shí)間：2025-01-03
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