空間機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢-在線瀏覽
2024-09-15 10:41本頁面
【正文】 間機(jī)器人可以分為艙內(nèi)／艙外服務(wù)機(jī)器人、自由飛行機(jī)器人和星球探測機(jī)器人3種。 ／艙外服務(wù)機(jī)器人(Intravehicular/Extravehicula Robot)作為空間站艙內(nèi)使用的機(jī)器人，艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人主要用來協(xié)助航天員進(jìn)行艙內(nèi)科學(xué)實(shí) 驗(yàn)以及空間站的維護(hù)。艙內(nèi)服務(wù)機(jī)器人要求質(zhì)量輕、體積小，且具有足夠的靈活性和操作能力?？臻g環(huán)境是非常惡劣的，如強(qiáng)輻射、高溫差和超真空等，這些因素給人類宇航員在太空的生存和活動帶來很大的影響和威脅；同時出艙作業(yè)的費(fèi)用是相當(dāng)昂貴的。以下為艙內(nèi)／艙外服務(wù)機(jī)器人國際上最新的研究進(jìn)展：1．加拿的空間遙操作機(jī)器人系統(tǒng)圖 3 SRMS 系統(tǒng)加拿大研制的航天飛機(jī)遙操作臂系統(tǒng)(Shuttle Remote Manipulator System, SRMS)如圖3所示，是空間機(jī)器人概念產(chǎn)生以來第一個成功應(yīng)用的空間機(jī)械臂系統(tǒng)。該機(jī)械臂可以由計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程控制，也可以由宇航員手動控制。SRMS由宇航員在艙內(nèi)進(jìn)行操作，可以用于展開和回收衛(wèi)星、組裝國際太空站和傳送部件。圖 4 MSS 系統(tǒng)加拿大耗資10億美元研制的空間站移動服務(wù)系統(tǒng)(Mobile Servicing System, MSS)，如圖4所示。在遙操作方式下，SSRMS可以在軌道上移動空間站的外圍設(shè)備，可以在艙外行走，可以進(jìn)行裝配和維修工作。2001年4月，SSRMS將1噸多重的包裝箱傳送給“奮進(jìn)者”號航天飛機(jī)上的機(jī)械臂SRMS帶回地面，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的空間握手。2．德國航宇中心的ROTEX實(shí)驗(yàn)德國宇航中心(DLR)研制的基于多傳感器的小型空間機(jī)器人系統(tǒng)(ROTEX)如圖5所示，是世界上第一個實(shí)現(xiàn)地面遙操作的艙內(nèi)空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是驗(yàn)證大時延條件下的地一空遙操作。ROTEX系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是具有多種感知功能：在機(jī)械臂末端有剛性和柔性六維力／力矩傳感器各1個，同時還具有觸覺傳感器、9個激光測距傳感器和1對微型立體攝像機(jī)。ROTEX采用了3種操作模式：基于圖形預(yù)測顯示系統(tǒng)的地一空遙操作、基于傳感器的離線編程監(jiān)控式操作以及宇航員主從遙操作模式。當(dāng)時的背景是：一顆剛剛發(fā)射的衛(wèi)星TV SATI在進(jìn)入軌道后，其太陽能電池板不能自動打開，而衛(wèi)星所在的軌道是載人航天無法到達(dá)的軌道。DLR第三代輕型臂采用全模塊化的設(shè)計(jì)思想。/s。驅(qū)動系統(tǒng)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的高性能ROBO Drive電機(jī)，其質(zhì)量和功耗只相當(dāng)于普通商業(yè)電機(jī)的一半。自1993年，NASA開展了空間遙機(jī)器人的大型研究計(jì)劃，該計(jì)劃將空間遙機(jī)器人分為3個主要的應(yīng)用領(lǐng)域：在軌裝配與維修；科學(xué)負(fù)載服務(wù)和星球表面探測。在NASA的計(jì)劃中明確提出，采用虛擬現(xiàn)實(shí)的人機(jī)接口技術(shù)和大時延遙操作技術(shù)是空間要機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)。它的典型應(yīng)用背景是國際空間站的艙外作業(yè)，將航天服套在Robonaut的外面，其外形與人相似。它能夠使用大部分的艙外作業(yè)工具，不需任何特殊的環(huán)境設(shè)施，并且可以和人類宇航員協(xié)同工作。(Free Flying Space Robot, FFSR)圖 8 自由飛行機(jī)器人自由飛行機(jī)器人（如圖8所示）是指飛行器上搭載機(jī)械臂的空間機(jī)器人系統(tǒng)，由機(jī)器人基座（衛(wèi)星）和機(jī)械臂組成，具有自由飛行和自由漂浮兩種工作狀態(tài)。自由飛行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)存在耦合，當(dāng)工作在自由漂浮狀態(tài)時，機(jī)械臂運(yùn)動對基座產(chǎn)生的反作用力將改變機(jī)器人基座的位置和姿態(tài)，此時采用地面固定基座機(jī)器人的控制技術(shù)難以完成規(guī)定的操作任務(wù)。DARPA為這些衛(wèi)星確定一種衛(wèi)星服務(wù)接口標(biāo)準(zhǔn)?！败壍揽燔嚒表?xiàng)目包括一顆用于在軌服務(wù)的ASTRO衛(wèi)星和一顆名為NextSat的客戶衛(wèi)星。這個機(jī)械臂由已成功開發(fā)SRMS和SSRMS的加拿大MDA機(jī)器人公司負(fù)責(zé)開發(fā)，長3 m。在試驗(yàn)中， ASTRO首先接近NextSat衛(wèi)星到10~20 cm的距離；然后ASTRO上的對接機(jī)構(gòu)與NextSat衛(wèi)星上的相應(yīng)對接裝置進(jìn)行連接。ASTRO還驗(yàn)證了另外一種對接方法——采用機(jī)械臂進(jìn)行初始捕獲。兩顆衛(wèi)星一旦對接成功，ASTRO就可以通過流體管路將燃料輸送給NextSat，ASTRO上的機(jī)械臂可以把自身攜帶的軌道替換單元轉(zhuǎn)移到NextSat上。如果不采用機(jī)械臂進(jìn)行初始對接，服務(wù)衛(wèi)星的推進(jìn)器必須點(diǎn)火以到達(dá)指定的對接位置，然而推進(jìn)劑產(chǎn)生的氣體可能污染客戶衛(wèi)星上的靈敏儀器。如果在捕獲過程中發(fā)生故障，服務(wù)衛(wèi)星將無碰撞地飛過客戶衛(wèi)星。E
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