空间机器人的研究现状和发展趋势

《机器人技术基础》课程论文

空间机器人的研究现状和发展趋势

学生姓名ＸXX

学生班级材控1105

学生学号 U２*****xｘx

手机号码 xxxxｘxxxｘxxxx

华中科技大学材料科学与工程学院

ﻬ空间机器人的研究现状和发展趋势

陈松威

(华中科技大学材料科学与工程学院武汉４30０7４)

摘要:空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业,也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用,可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。按照用途的不同，空间机器人可以分为舱内/舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。本文结合最新文献对各类对空间机器人的在国际上最新的研究状况进行了详细的分析与介绍,并进行了国内外空间机器人发展的横向对比。鉴于空间机器人在国外已经获得较好的应用，而在我国目前还处于探索阶段,我国在空间机器人方面的研究亟需奋起直追。文章最后,结合空间机器人现今各研究方向的最新研究情况，对其发展趋势做出了总结和展望。

关键词：空间机器人；舱内/舱外服务机器人；自由飞行机器人;星球探测机器人

1引言（inｔroduｃtioｎ）

随着人类对于空间的不断探索，宇航科学与技术这一研究领域变得日益重要。空间探索已经不再仅仅是具有国家荣誉的象征,它已经成为设计科学发展、未来资源乃至国家安全的重大问题。

尽管载人航天活动已经有几十年的发展历史，但对于人类来说,太空的高辐射、高真空、极端温度和微重力等危险环境因素仍是太空探索的技术难点。目前，在进行舱外作业时，宇航员必须穿上价格昂贵且厚重的宇航服。与人类宇航员相比,空间机器人在轨作业系统具有多方面的优越性:它不需要复杂的生命支持系统;适应空间环境；可以长时间工作；可以降低成本;提高空间探索的效率。空间机器人既可以代替人类宇航员进行长时间、危险的舱外作业,也可以作为宇航员的工具付诸完成高精度、高可靠度的操作任务。由于空间机器人的重要作用，美国、日本、加拿大、德国等发达国家都在大力度支持不同用途空间机器人的研究。可以说拥有先进的宇航作业系统就能占据宇航探索和开发的主导地位。

我国空间技术在快速发展，仅2010 年就发射了近20 颗卫星。陆续发射了“天宫一号”目标飞行器和“神舟八号”宇宙飞船,并进行了无人交会对接。下一步还将发射“天宫二号”,并争取在2０20 年建立长期有人居住空间站。为了实现这个空间战略目标，目前我国正加紧空间机器人的研究计划,这些研究计划的成功实施对进一步发展太空科技,提升战略地位具

有十分重要的意义。

空间机器人的研究涉及机械学、电子学、力学等多种学科和技术，研究主题很多。本文仅仅综述一下各类空间机器人的研究现状，并结合国内外最新研究成果,对空间机器人的发展趋势进行了预测。

2 空间机器人的研究现状(Re ｓearch stat ｕｓ of Space Ro ｂot ）

2.１空间机器人的起源

机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有３００0多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。在几千年人类智慧沉淀之后的今天,机器人几经进入了全新的时代：随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。将机器人的技术（如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新机器——机器人化机器。

空间机器人（如图1所示）正是当前各

个国家竞相创新的新领域机器人之一。其集机

械学、电子学、力学、通信、自动控制、信息

科学、人工智能和计算机等多门学科于一体，

是应用在宇宙空间中的一类特殊机器人。

２.2 空间机器人的分类

根据不同的划分标准和原则,空间机器人有多种分类方法。其中，按照用途的不同,空间机器人可以分为舱内／舱外服务机器人、自由飞行机器人和星球探测机器人3种。下面将依次介绍这几种行星探测机器人的研究状况。

2.2．1舱内/舱外服务机器人(In ｔrav ｅhi ｃula ｒ/Extr ａｖehic ｕｌa Robot)

作为空间站舱内使用的机器人，舱内服务机器人主要用来协助航天员进行舱内科学实 验以及空间站的维护。舱内服务机器人可以降低科学实验载荷对航天员的依赖性，在航天员不在场或不参与的情况下也能对科学实验载荷进行照管。舱内服务机器人要求质量轻、

体积

图1 空间机器人系统

小，且具有足够的灵活性和操作能力。作为空间站(或者航天飞机）舱外使用的机器人,舱外服务机器人（如图2所示)主要用来提供空间在轨服务，包括小型卫星的维护、空间装配、加工和科学实验等。空间环境是非常恶劣的,如强辐射、高温差和超真空等,这些因素给人类宇航员在太空的生存和活动带来很大的影响

和威胁；同时出舱作业的费用是相当昂贵的。

因此，舱外服务机器人的研究和实验工作非

常重要。以下为舱内／舱外服务机器人国际

上最新的研究进展：

1.加拿的空间遥操作机器人系统

加拿大研制的航天飞机遥操作臂系统

(Shu ｔtle R ｅm ｏｔｅ Ｍani ｐul ａtor Sys ｔe ｍ, ＳＲMS)如图3所示,是空间机器人概念产生以来第一个成功应用的空间机械臂系统。该机械臂具有六自由度，全长１5.2 m,质量410 ｋg ，空载情况下的最大移动速度可达６0 ｃm/

ｓ，臂杆采用碳纤维材料。该机械臂可以由计算机进

行编程控制,也可以由宇航员手动控制。SR ＭS 在1

９８1年首次使用,其设计寿命为10年或者100次飞

行任务。S ＲMS 由宇航员在舱内进行操作，可以用于

展开和回收卫星、组装国际太空站和传送部件。2005

年,S ＲMS 协助宇航员成功地完成了“发现者”号航天飞

机的热防护系统维修工作。

加拿大耗资10亿美元研制的空间站移动服务系

统（Ｍobile Ser ｖｉcing S ｙst ｅm, MSS),如图４

所示。 MSS 由3部分组成:长17 m 的7自由度机械臂

系统(Space Station,ｓ Rem ｏte M ａnipul ａｔor Sy

ｓｔem, SS ＲM Ｓ）、专用的灵巧机械手（ Sp ｅｃ

ial Ｐurpose Dexterous Manip ｕｌat ｏr, ＳPDM)和移动平台系统(Ｍｏbi ｌe Base Sy ｓtem, MBS)。在遥操作方式下,SSRM Ｓ可以在轨道上移动空间站的外围设备，可以在舱外行走，可以进行装配和维修工作。安装在末端的小型双臂灵巧操作器可以为SSRMS 提供操作小尺寸物体的能力,完成一些复杂的操作任务,如更换

图 2 舱外服务机器人

图 3 SRMS 系统

图 4 MSS 系统