在轨操作机器人的研究现状与发展方向

在轨操作机器人的研究现状与发展方向

摘要：随着对太空的不断探索，在轨操作机器人技术在航天工业中所占的比例越来越大。介绍了在轨机械臂的研究背景、定义和特点，分析总结了空间机械臂和仿人在轨机械手的国内外研究现状，并展望了在轨机器人的未来发展方向。

关键词：在轨操作；机械臂；类人机器人；研究现状；发展方向

随着时代进步，航天任务类型逐渐实现多元化发展，类似自主交会对接、在轨服务、空间碎片清理等新型航天任务对航天技术提出了更高要求———对空间目标具备一定的操作和协作控制能力，以满足日益增长的延长在轨航天器寿命、修复故障航天器、改善空间碎片环境等现实需求，同时对于未来提高航天器任务灵活性和能力扩展性具有重要意义。因此，自２０世纪末世界各航天大国逐步开展了在轨操作技术研究和试验，并取得了较大的发展与进步。本文将对在轨操作技术的内涵及国外发展进行研究与分析。

1在轨操作技术的概念

1.1在轨操作

在轨操作泛指在空间环境中，航天器为完成空间任务而进行的空间操作活动的统称。这里的空间任务专指应用任务，而不包括演示验证任务，因为演示验证任务的目的是进行技术能力验证，为应用任务做准备。根据当前在轨操作涉及的应用范畴，将空间任务分为以下３类：轨道机动、在轨服务及轨道清理。（1）轨道机动可分为：轨道保持、轨道改变以及空间威胁规避等。轨道保持是指航天器为克服空间摄动或其他外力引起的轨道变化并维持其正常工作轨道而采取的一系列控制措施；轨道改变是指航天器由于任务的变化而导致转移至新的运行轨道的过程；空间威胁规避是指航天器为了避免与空间碎片或其他航天器发生碰撞而临时改变运行轨道，并在威胁解除后恢复至原正常工作轨道的过程。（2）在轨服务是指服务航天器携带设备装置与目标航天器发生相互作用的过程，进而达到服务的目的，可分为：在轨装配、在轨维护和后勤支持等。在轨装配是指在空间

中将零散部件组装成航天器模块、航天器子系统或者航天器整体等；在轨维护是

指按照必要的或指定的计划程序对航天器进行保养和维修，用以维持航天器正常

运行和延长航天器工作寿命；后勤支持是指保证航天器正常运行和能力扩展所需

的后勤和补给支持。典型的在轨服务包括：燃料加注、在轨监测、在轨维修、模

块更换、航天器升级、在轨装配、货物运输等。（3）轨道清理主要是指为改善

空间环境而进行的空间碎片及失效卫星等非合作目标的监测与清理（辅助离轨）

等工作。

1.2在轨操作技术

在轨操作技术是航天器完成在轨操作任务所需要的支撑技术的统称。根据空

间任务类型以及完成空间任务的工作流程，将在轨操作技术分为４类：航天器Ｇ

ＮＣ技术、空间目标捕获技术、在轨服务技术和航天器平台总体技术。（1）航

天器ＧＮＣ技术主要包括轨道机动技术和相对运动控制技术。其中轨道机动技术

主要指先进轨道机动技术，如大范围快速机动技术，这与传统的轨道机动技术有

一定区别；相对运动控制技术分为远程交会技术、近程逼近和绕飞技术、相对悬

停技术。（2）空间目标捕获技术主要包括光电捕获技术、激光近距捕获技术、

机械臂捕获技术以及典型结构捕获技术。其中，光电捕获技术用于空间目标发现、监测以及相对运动引导，激光近距捕获技术用于捕获具有相对运动测量标识或安

装有对接装置的空间目标，机械臂以及典型结构捕获技术用于捕获无法提供相对

运动信息的空间目标（典型结构捕获技术是根据航天器上常见装置或结构而设计

的非合作目标捕获技术，如分离螺栓等）。（3）在轨服务技术主要包括在轨组

装技术、在轨监测技术、在轨模块更换技术、轨道重置技术、在轨加注技术等。（4）航天器平台总体技术包括平台设计技术、星务管理技术、推进技术等。

2国外在轨操作技术发展总结

面临航天器故障和日益严重的空间碎片问题，发展基于在轨操作技术的空间

自由飞行航天器，以更好地执行在轨服务、轨道清理等任务已成为现实之需。一

直以来，世界各航天大国以增强空间控制能力以及扩大空间应用范围为目的，实

施众多项目实现了在轨操作技术的多层次发展。目前各类在轨操作技术发展水平

并不均衡，与国际空间站以及哈勃望远镜运行和维护相关的技术已趋于成熟并得

到广泛运用，而其他技术则在近几年才逐步得以演示验证。

2.1美国发展总结

自20世纪80年代以来，美国不断开展在轨操作技术研究与试验，技术水平

得到了持续提高，主要项目有：航天飞机在轨加注、空间遥操作机器人计划（Ｓ

ＴＰ）、试验卫星系统（ＸＳＳ）、自主交会技术验证（ＤＡＲＴ）、微卫星技

术试验（ＭｉＴＥｘ）、轨道快车（ＯＥ）、通用航天器轨道修正系统（ＳＵ－

ＭＯ）、ＦＲＥＮＤ计划、天基空间目标监视系统（ＳＢＳＳ）、Ｘ－３７Ｂ、

Ｐｈｏｅｎｉｘ等。美国在轨操作技术已取得显著成就，主要包括：航天器ＧＮ

Ｃ技术已趋于成熟；空间目标捕获技术已能完成在轨合作目标抓捕任务；在轨服

务技术已能支撑在轨模块更换任务；航天器平台技术能良好支撑空间在轨操作任务。

3在轨操作机器人发展方向

在轨操作机器人的发展前景喜人，然而技术上尚存在不少挑战，比如空间环

境适应性要求高、多任务、工况复杂、多自由度等，加大了在轨操作机器人地面

验证的难度。面对挑战，未来在轨操作机器人的发展方向如下：（1）智能化。

具备感知要素、运动要素和思考要素，可模拟人类感知、学习、推理、联想、决策、规划等行为，通过不断认知学习和执行任务，使其具有更强的自主判断和逻

辑分析能力、应变能力与执行能力，能够在外太空恶劣环境下独立自主完成危险、特殊、复杂、灵活、重要、多变的任务，保障宇航员的生命安全。（2）类人化。可以直接令类人机器人搭乘、佩戴、使用为人类设计的航天器、航天装备和工具，节省为机器人设计专用版本的费用。此外通过机器人的智能化水平，使其具备对

陌生环境判断和处置的能力，提高与宇航员协同工作的能力，协助或代替宇航员

独立工作，并可与宇航员直接进行交流，以提高任务执行的效率。（3）微型化。在完成指定任务的前提下尽可能减小体积，进一步向微型化、低成本和低能源消

耗方向发展，提高空间利用率。以加州大学、卡耐基⁃梅隆大学、克莱姆森大学为

主的美国19所大学于2016年联合发布了《美国机器人技术路线图：从互联网到

机器人》，对机器人技术目前的发展机会、面临的挑战及解决方案进行了全面的